PREP ARASI LAPISAN TIPIS SAMBUNGAN p-n ZoO CuIoSe MENGGUNAKAN PENYANGGA LAPISAN UNTUK APLIKASI SEL SURYA

PREP ARASI LAPISAN TIPIS SAMBUNGAN

p-n

ZoO

CuIoSe

MENGGUNAKAN

PENYANGGA

LAPISAN

UNTUK APLIKASI SEL SURYA

Tri Mardji Atmono

PTAPB - Badan Tenaga Nuklir Nasional Agung

B.S.V,

Messa Monika Sari F.MIPA Jurusan Fisika UGM-Yogyakarta

ABSTRAK

DAN

CdS

ABSTRACT

PREPARASI LAPISAN T1PIS SAMBUNGAN p-n ZnO DAN CulnSe DENGAN PENYANGGA LAP/SAN CdS UNTUK APLIKASI SEL SURYA. Telah dilakukan preparasi lapisan tipis p-njunction CulnSe2 - CdS - ZnO multilayer dengan metode RF sputtering dan karakterisasinya serta pengukuran tegangan dan arus. Untuk penumbuhan kristal CulnSe2 digunakan metode Bridgman sampai pada suhu 600°C. Preparasi dilakukan dengan empat variasi ketebalan lapisan buffer CdS pada tekanan argon 3,5 x 10'2 mbar, tegangan self bias

1000 V. dan daya RF mencapai 200 W. Tegangan anoda ambang sebesar -75 V diberikan pada proses preparasi untuk mengoptimalkan sifat masing-masing lapisan. Dari pengamatan XRD memperlihatkan bahwa kristal CulnSe2 memiliki struktur tetragonal khalkopirit dengan parameter kisi a=5.7727 Adanc= 11,6032A, sedangkan lapisan tipis CdS mempunyai struktur heksagonal dengan parameter kisi a=4,1439

A danc=6,72 .1.Karakterisasi dengan FPP menunjukkan bahwa CdS adalah semikonduktor tipe-n. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa system p-n junction mampu memberikan efek fotovoltaik optimal dengan tegangan sekitar 100 m V dan arus 0,99 pA pada lapisan tipis dengan ketebalan CdS (38 - 65) x10J.1.

~

"\

PREPARATION OF THIN FILM P-N JUNCTION Zn0f....u1nSe USING BUFFER CdS FOR THE APPLICATION AS SOLAR CELL. It has been carried out the prepar'Otion of thin film ofCu1nSe/CdS/ZnO multilayer p-n junction by RF sputtering method and their characterizations and also measurement of photovoltaic voltages and currents. The growth of CulnSe2 crystals was done by Bridgman method until 600°C in temperature. Preparations were carried out for four thickness variations of CdS buffir thin film at the argon's pressure around 3.5 x 10'2 mbar, self-bias voltage at 1000 V and RF's power at 200W. Floating anode voltage at about -75 V was given in preparation process to improve characteristic of each thin film. Observing by XRD shows that CulnSe2 crystal has a chalcopyrite tetragonal structure with lattice parameters a =5.7727 A andc=11,6032 A, whereas CdS thin film has an hexagonal structure with lattice parameters a =4,1439 Aandc=6,72.1.On the other hand, FPP characterization indicates that CdS is an n-type semiconductor. The result of measurement of p-n junction system, having CdS thin film of (38 - 65) xl02 .1.is able to produce optimum photo voltaic effict of

1

0I m V as well as 0,99 pA of current.

Kala kunci: p-njunction Cu1nSe2 - CdS - ZnO multilayer, efekfotovoltaik, lapisan tipis sel surya.

PENDAHULUAN

Teknologi

menjangkaudanbanyakaplikasibidang.lapisanSalahtipissatunyatelah pada bidang energi, teknologi lapisan tipis dikembangkan untuk pembuatan sel surya. Dalam hal ini, energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis energi dunia pada tahun 1970-an. Beberapa energi altematif yang bersih, tidak berpolusi, aman, alami, dan persediaannya tidak terbatas diantaranya adalah energi surya, angin, air laut dan lain-lain menjadi suatu pilihan yang tepat.

Saat ini sedang dikembangkan teknologi sel surya dengan teknik lapisan tipis yang berbasis pada efek fotovoltaik sebagai salah satu sumber tenaga listrik yang murah, bebas polusi udara maupun radioaktif. Efek fotovoltaik adalah gejala pengubah-an energi cahaya menjadi energi Iistrik, akibat adanya arus yang mengalir pada p-n junction. Tegangan dan arus listrik inilah yang dapat digunakan sebagai sumber energi listrik.

Lapisan tipis dapat dibuat dari bahan organik, anorganik, metal maupun campuran metal organik yang memiliki sifat-sifat konduktor, isolator

maupun semikonduktor. Di Indonesia sendiri kebanyakan sel surya yang dibuat menggunakan bahan anorganik. Hal ini dikarenakan bahan anorganik mudah diperoleh di Indonesia dengan harga yang relatif murah mengingat sumber alam yang ada cukup melimpah tapi belum dioptimalkan penggunaannya.

Pembuatan lapisan tipis yang sedang intensif dilakukan di kalangan industri dan penelitian menggunakan bahan silikon amorf, CdTe dan CulnSez (CIS) atau paduannya seperti CulnSz dan CulnGaSez. Parameter desain lapisan ZnO dan CuInSe yang penting adalah:

- Mudah dibuat karena bahan-bahan dasar berupa serbuk, mudah diperoleh di pasaran lokaI. - Memiliki sifat semikonduktor tipe-n (untuk

ZnO) dan tipe-p (untuk CuInSe).

- Memiliki struktur tetragonal khalkopirit (untuk CulnSez).

- Tegangan fotovoltaik yang cukup besar (beberapa ratus mY).

- Arus fotovoltaik yang cukup besar (beberapa mA).

CuInSez yang dapat dipakai sebagai basis

absorber lapisan tipis sel surya dan bahan ini yang

dipilih untuk dibuat dalam penelitian ini. Hal ini dikarenakan material CuInSez mempunyai daya serap yang cukup besar dan secara teoritik memiliki efisiensi diatas 20%. Dalam penelitian ini pembuatan kristal CuInSez dilakukan dengan menggunakan metode Bridgman sampai pada suhu 600 DC, karena pada suhu tersebut kualitas kristal yang dihasilkan cukup baik. Hal ini diketahui melalui pengamatan struktur kristalnya dengan menggunakan XRD .

Lapisan tipis sel surya berbasis CuInSez (CIS) merupakan sistem sambungan p-n yang dapat menghasilkan efek fotovoltaik. Sistem sambungan p-n (p-n junction) adalah sambungan antara semi-konduktor tipe-p yang berfungsi sebagai absorber dengan semikonduktor tipe-n yang berfungsi sebagai lapisan jendela atau TCO (Transparent

Conducting Oxide). Sedangkan lapisan buffer

dideposisikan di antara absorber dan TCO yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi kinerja sel surya.

Proses deposisi menggunakan Metode RF

sputtering dengan frekuensi radio pada 13.56 MHz.

Penggunaan frekuensi radio ini akan mendasari timbulnya tegangan bias yang merupakan tegangan negatif dan berarus searah[l]. Pada penelitian ini dilakukan empat variasi ketebalan lapisan buffer

CdS. Batasan desain dari lapisan CdS yang penting adalah :

- Memiliki struktur kristal heksagonaI.

- Menghasilkan arus listrik dalam orde beberapa /lA, tegangan sekitar 200 mY.

- Setiap ion argon akan mampu menghasilkan partikel CdS yang terdeposisi di atas substrat.

Pada lapisan CdS yang menghasilkan efek fotovoltaik tertinggi dilakukan pengamatan XRD

(X-Ray Diffraction) untuk mengetahui struktur kristalnya sedangkan SEM (Scanning Electron Microscopy) untuk mengamati struktur morfologi.

Uji FPP (Four Point Probe) dilakukan guna menguji tipe konduksinya.

Pada penelitian ini dilakukan pembuatan dan pengukuran tegangan dan arus fotovoltaik sistem

p-n jup-nctiop-n Zp-nO/CdS/Culp-nSe, dengan CdS sebagai

buffir, dengan parameter desain dan batasan desain

seperti disebutkan di atas, sebagai uji kinerja sistem lapisan tipis untuk memberikan kontribusi pada pengembangan solar cell thinjilm.

TAT A KERJA DAN PERCOBAAN

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari perangkat preparasi, yaitu pembuatan target CIS dengan metode Bridgman, perangkat deposisi lapisan tipis dengan sistem RF sputtering. Pengukuran arus dengan nanometer Kithley serta tegangan dengan Digital Multimeter. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan XRD, FPP, dan SEM. Penumbuhan kristal CuInSe dilakukan dengan melelehkan bahan-bahan yang telah di-murnikan dalam tabung kuarsa yang telah divakum-kan. Setelah kristal CIS terbentuk dilakukan karakterisasi XRD untuk mengetahui struktur kristalnya. Sedangkan proses deposisi lapisan tipis sel surya menggunakan metode RF sputtering.

Deposisi lapisan tipis pertama adalah lapisan tipis Mo di atas substrat kaca (yang telah di-bersihkan dengan ultrasonic cleaner ) pada tekanan argon 3,5 x \O-z mbar selama 20 menit. Setelah terbentuk lapisan Mo, masker dipasang di atasnya sebagai kontak. Proses selanjutnya adalah pendeposisian lapisan CIS di atas Mo pada tekanan yang sarna selama 20 menit. Target yang digunakan sesuai dengan lapisan yang ingin dibuat. Semua pendeposisian lapisan ditambahkan tegangan anoda ambang sebesar -75 V kecuali pada deposisi Mo. Tegangan anoda ambang diberikan setelah diperoleh tekanan yang diinginkan. Pada pendeposisian lapisan CdS di atas lapisan CIS dilakukan variasi ketebalan lapisan yang didasarkan pada lamanya

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

waktu sputtering, sebanyak empat variasi waktu yaitu 20 men it, 30 menit, 40 menit dan 50 menit pada tekanan argon 3,5 x 10-2 mbar. Di atas lapisan CdS dideposisikan lapisan ZnD multilayer. ZnD multilayer dibuat dengan cara mendeposisikan lapisan ZnD pada tiga variasi tekanan gas argon yaitu tekanan 3,5 x 10-2 mbar, 4x 10-2 mbar, dan 5

x 10-2 mbar. Pada proses deposisi ZnD multilayer ditambahkan gas hidrogen namun tetap menjaga kestabilan tekanan. Langkah terakhir pendeposisian adalah lapisan ZnDAI pada tekanan 3,5 x 10-2 selama 25 menit. Hasil yang diperoleh adalah empat buah lapisan tipis sel surya dengan empat variasi ketebalan lapisan buffer CdS. Selanjutnya dilakukan pengukuran arus dan tegangan efek fotovoltaik yang dapat dihasilkan sel surya.

Perlu dilakukan pula karakterisasi lapisan CdS (terdeposisi diatas CIS) yang menghasilkan efek fotovoltaik tertinggi dengan menggunakan karakterisasi FPP (tipe konduksi), XRD (struktur kristal) dan SEM (cross section).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengamatan Struktur Kristal CulnSe2 dengan

XRD

Pengamatan XRD (X-Ray Diffraction) digu-nakan untuk mengetahui struktur kristal yang terbentuk pada massif hasil pemanasan CulnSe2'

•...

:::

Hasil XRD berupa difraktogram ditunjukkan oleh Gambar 1.

Difraktogram di atas memperlihatkan enam belas puncak difraksi dengan tiga puncak terkuat yaitu puncak kedua (28= 26,7780), kedelapan (28= 44,3474) dan kesepuluh (28 = 52,5028). Keenam belas puncak yang diperoleh dibandingkan dengan data standar JCPDS[5j sehingga diketahui nilai-nilai indeks miller (hkl) pada puncak-puncak difraksi yang terbentuk [2]. Setelah dibandingkan dengan JCPDS ternyata terdapat tujuh puncak hasil XRD yang bersesuaian dengan JCPDS. Dengan menggunakan nilai hkl, diperoleh tetapan kisi a =

5.7727 A dan c = 11,6032 A, sehingga per-bandingan cia = 2,0100. Menurut Rockett dan Birmire[4], konstanta kisi CulnSe2 adalah ao = 5,789

A dan Co = 11,62 A. Dari perhitungan di atas, diperoleh kesimpulan bahwa hasil preparasi bahan dengan menggunakan metode Bridgman ini adalah CuInSe2 yang memiliki struktur kristal tetragonal khalkopirit. HasiI ini sesuai dengan batasan desain.

Pengamatan

Struktur

Lapisan

CdS dengan

XRD

Pengamatan XRD ini dilakukan pada Lapisan CdS yang memiliki ketebalan 38 x 102 A. Difrak-togram hubungan intensitas dengan 28lapisan CdS (Gambar 2) memperlihatkan tiga puncak tertinggi pada puncak keenam belas (28= 27,1341), keempat belas (28 = 24,4200) dan kelima belas (28 = 25,5200) .

2 theta (derajat)

;r. (': .•..• ...• ;r.

=

~

.•..•

=

-2 theta (derajat)

Gambar 2. Difraktogram lapisan CdS.

Dari tiga puluh tiga puncak hasil XRD setelah dibandingkan dengan JCPDS temyata terdapat tiga puncak yang bersesuaian dengan JCPDS. Dengan memperoleh nilai hkl dari perbandingan hasil penelitian dengan JCPDS maka melalui perhitungan diperoleh tetapan kisi

a

=

4,1439 A c

=

6,72 A. Banyak sudut difraksi yang terbentuk dari hasil penelitian mengalami per-geseran dengan data JCPDS. Hal ini kemungkinan disebabkan karena CdS yang diamati berbentuk lapisan, bukan serb uk, sedangkan data pada JCPDS berlaku pada bahan serb uk (powder). Disamping itu serbuk memiliki sifat yang berbeda dengan lapisan tipis. Bentuk molekul CdS adalah heksagonal dengan tetapan kisi a

=

4,136 A dan c

=

6,713 A. Dari nilai tetapan kisi yang diperoleh, maka lapisan tersebut adalah CdS yang mempunyai struktur

(a)

kristal heksagonal[SJ, sesuai dengan batasan desain yang telah dikemukakan pada bab Pendahuluan.

Pengamatan SEM pada [apisan CdS

Struktur morfologi lapisan tipis dapat diketahui dengan SEM (Scan Electron Microscopy). Hasil karakterisasi berupa foto permukaan dan penampang lintang (cross section), seperti ditunjuk-kan pada Gambar 3a dan 3b.. Hasil dari SEM berupa gambar morfologi permukaan lapisan dan juga tam pang lintang (cross section) yang memper-lihatkan pola gelap-terang dan beberapa ukuran butiran. Ukuran butiran (grain size) rata-rata dapat diperoleh dengan menggunakan Corel Draw II,

diperoleh sebesar (1,0 - 1,4) x I04A.

(b)

Gambar 3. (a) Foto permukaan lapisan CdS dengan perbesaran 20000x, (b) Foto cross section lapisan CdSpada perbesaranlOOOOx.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Dari Gambar 3(a) terlihat permukaan lapis-an CdS tidak sarna terlapis-ang. Hal ini mengindikasiklapis-an bahwa lapisan tipis CdS tidak begitu homogen. Ketidakhomogenan lapisan ini dapat disebabkan karena adanya lonjakan parameter sputtering pada awal dan akhir proses sputtering, jarak e1ektroda (18 mm) terlalu dekat, vakum yang kurang tinggi, ataupun kemungkinan adanya unsur-unsur lain yang ikut ter-sputter.

Gambar 3(b) memperlihatkan cross section lapisan CdS. Ketebalan lapisan CIS dan CdS ditunjukkan oleh garis vertikal yang berwarna lebih gelap. Dengan menggunakan Corel draw 11

diperoleh ketebalan lapisan CdS sebesar 0,38 /lm

dan ketebalan lapisan CIS sebesar 0,8 /lm. Lapisan CIS ternyata lebih tebal daripada lapisan CdS walaupun waktu sputtering CdS lebih lama. Hal ini berarti target CdS lebih sukar melepaskan partikel-partikelnya, tenaga ikatnya lebih besar, sehingga tidak setiap ion argon bisa menghasilkan partikel CdS, maka akan mengakibatkan jumlah partikel yang terdeposisi (sputter yield) juga lebih sedikit.

Pengamatan FPP Lapisan CdS

Karakterisasi FPP (Four Point Probe)

dilakukan untuk menguji tipe konduktivitas pada lapisan tipis. Hasil pengukuran FPP menunjukkan bahwa seluruh lapisan tipis CdS yang dibuat dengan teknik sputtering pada penelitian ini adalah merupakan semikonduktor tipe-n.

Pengukuran Arus dan Tegangan fotovoltaik

Gambar 4 menunjukkan grafik arus versus ketebalan. Arus maksimal sebesar 0,99/lA

dihasilkan oleh lapisan CdS dengan ketebalan 38 x 102A,dan arus minimal 0,46/lA dihasilkan lapisan

CdS dengan ketebalan 26 x 102A. Ketebalan CdS 38 x 102A mampu memberikan arus listrik yang lebih tinggi. Hal ini berarti menunjukkan ke-sebandingan antara tegangan dan arus yang dihasil-kan. Arus yang diharapkan adalah dalam orde beberapa /lA. Kemungkinan penyebabnya adalah pengotor (impurity) yang terkandung dalam lapisan.

Pada pengukuran tegangan, diperoleh tegangan maksimal sebesar 101 mV dihasilkan oleh sel surya dengan ketebalan lapisan CdS 38 x 102A. Sedangkan tegangan minimal sebesar 71 mV dihasilkan oleh sel surya dengan ketebalan lapisan CdS sekitar 26 x 102A.

Hal ini menunjukkan bahwa pada ketebalan 26 x 102 A fungsi CdS sebagai buffer tidak optimal. Dari Gambar 4 dapat dilihat arus lebih tinggi dihasilkan oleh lapisan CdS dengan ketebalan (38-65) x 102A. CdS-thin film sebagai

buffer dengan ketebalan dalam range tersebut lebih

besar menghasilkan efek fotovoltaik.

Dari hasil pengukuran tegangan dan arus, ternyata lapisan buffer CdS dapat meningkatkan efek fotovoltaik dalam p-n junction. Lapisan CdS pada ketebalan (38-65) x 102A memberikan efek fotovoltaik yang cukup tinggi. Lapisan tipis sel surya dengan sistem p-n junction CuInSe2 - ZnO

multilayer dengan parameter sputtering yang sarna

menghasilkan tegangan sebesar 12,2 mV dan arus

0,92 /lA. Hal ini mengindikasikan bahwa lapisan

buffer CdS berpengaruh terhadap besarnya efek

fotovoltaik yang dihasilkan. Deposisi lapisan

buffer CdS diantara CIS dan ZnO multilayer selain

mencegah terjadinya interdifusi Cu, In atau Se ke ZnO multilayer ternyata juga mampu mening-katkan efek fotovoltaik [3,4].

1-~~~

80

90

'E

b

_,..

--70

60

50

40

Grafik Arus versus Ketebalan

o

10

20

30

40

50

60

70

Ketebalan

(102

Angstrom)

Peiformance lapisan tipis sel surya yang dihasilkan dalam penelitian ini juga dipengaruhi oleh bagian-bagian dari sel surya, antara lain pada lapisan absorber CIS yang terdeposisi tidak optimal dalam menyerap foton, lapisan ZnO multilayer telah teroksidasi, kontak Mo yang terlalu rendah dalam merefleksikan cahaya dan elektroda ZnOAI yang kurang optimal mentransmitansikan cahaya yang masuk.

Faktor-faktor lain selama proses sputtering seperti kebersihan chamber, substrat dan

ground-shielding, pengaturan tekanan gas argon, tingkat kevakuman kebersihan target, proses pengukuran yang menggunakan jepit, dan homogenitas juga sangat berpengaruh bagi peiformance lapisan yang dihasilkan.

KESIMPULAN

Dengan metode Bridgman untuk penum-buhan kristal CulnSe2, memberikan hasH material target dengan struktur tetragonal khalkopirit dengan parameter kisi a = 5.7727 A dan c = 11,6032 A,

perbandingan cia = 2,0100. Melalui metoda

RF-sputtering, material target tersebut menghasilkan lapisan tipis semikonduktor CIS tipe p Lapisan CdS yang dideposisi diatas lapisan CulnSe2 merupakan semikonduktor tipe-n, mempunyai struktur heksagonal dengan parameter kisi a

=

4,1439 A dan c

=

6,72 A, merupakan buffer yang berfungsi terutama untuk memperbesar efek fotovoltaik serta menghindari diffusi unsur-unsur In, Se dan oksigen. Lapisan buffer CdS tersebut dengan ketebalan (38-65) x 102 A yang terdeposisi diantara lapisan CulnSe2 dan lapisan ZnO multilayer dapat menghasilkan tegangan sampai 101 mY dan arus 0,99 ~A. Sistem p-n junction Cu[nSe2 - CdS - ZnO

multilayer yang dihasilkan dengan menggunakan

metode RF Sputtering dapat diaplikasikan sebagai sel surya. Besarnya efek fotovoltaik yang dihasilkan oleh sistem p-n junction tergantung pada beberapa parameter sputtering, diantaranya ketebalan lapisan dan sifat dari tiap-tiap lapisan pembentuk sel surya. Sesuai dengan parameter desain dan batasan desain, beberapa target dari penelitian ini bisa tercapai secara kualitatif. Namun secara kuantitatif (besarnya arus dan tegangan fotovoltaik) masih belum ter-penuhi, sehingga masih perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk bisa mencapai hasil optimal.

DAFT AR PUST AKA

I. ATMONO, T.M., Lapisan Tipis dan Apli-kasinya Untuk Sensor Magnet Dan Sensor Gas,

P3TM BATAN, Yogyakarta, 2003.

2. ENARWATI, Studi Awal Preparasi Bahan

Semikonduktor CulnSe2 Dengan Metode

Bridgman, Skripsi, Universitas Negeri, Yogyakarta,2005.

3. RAMANA THAN, K., HASOON,

et. al.,

Surface Treatment of CulnGaSe2 Thin Films and Its Effecl on the Pholovollaic Properlies of Solar Cells, Journal, 13thICTMC, 2005.

4. ROCKETT, A., BIRMIRE, R.W.,

CulnSe2

for Pholovoltaic Applicalion, Jurnal, University

of IIIionois, 200 I. 5. WII'W.webelemenls. com.

TANYAJAWAB

Widarto

- Apakah pengaruh ketebalan preparasi terhadap lapisan tipis.

Faktor apa anda membuat 4 variasi ketebalan tersebut?

Tri Mardji Atmono

- Kelebalan lapisan sangal menenlukon parameler penling sel surya, yailu J">C, Vao fill faCIal' dan

efisiensi karena sifal-sifal inlernal (gap energi. Fermi level, depletion layer) dipengaruhi oleh kelebalan lapisan semikonduklor (dan juga

buffer) CIS-Cds-ZnO yang membenluk P-N

junclion.

- Tenlu saja lebih banyak (>4) akan menghasilkan dala yang lebih akurat. Akan dilakukan pada penelilian berikulnya.

Y. Sardjono

- Penelitian Bapak metode sputtering untuk lapisan tipis sel surya, mohon komentar yaitu kapan/ target aplikasi sel surya yang Bapak teliti. - Kira-kira target harga set surya tersebut berapa

rupiah/kWh.

Tri Mardji Atmono

- Belum bisa menentukan, tergantung dari dana penelilian yang disediakan, dan juga SDM (peneliti) yang mau bekerja sama dengan penuh motivasi dan dibantu oleh mahasiswa yang dinamis.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

- Maaf, belum bisa memperkirakan.

Bambang Supardiyono

- Apakah datalgrafik sudah smoothing (grafik arus vs ketebalan CdS)?

- Kalau belum, bagaimana menentukan puncaknya.

Tri Mardji Atmono

- Memang belum dilakukan smoothing pada grajik arus vs ketebalan CdS.

- Puncaknya ditentukan berdasarkan hasil

pengukuran, arus dan tegangan fotovoltaik maksimal, Iscdan Voc•