STUDI EFEK FOTOVOLTAIK DAN PIROELEKTRIK Ba 0,75 Sr 0,25 TIO 3 (BST) YANG DIDADAH GALIUM (BGST) DI ATAS SUBSTRAT SI (100) TIPE-P ERDIANSYAH PRATAMA

(1)

STUDI EFEK FOTOVOLTAIK DAN PIROELEKTRIK

Ba0,75Sr0,25TIO3 (BST) YANG DIDADAH GALIUM (BGST)

DI ATAS SUBSTRAT SI (100) TIPE-P

ERDIANSYAH PRATAMA

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

ABSTRAK

ERDIANSYAH PRATAMA. Studi Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba0,75Sr0,25TiO3 (BST) yang Didadah Galium (BGST) di Atas Substrat Si (100)Tipe-P. Dibimbing oleh Dr. Irzaman dan Dr. Akhirrudin Maddu.

Telah dilakukan penumbuhan film tipis BST dan BGST (didadah 5% Galium oksida) dipreparasi di atas substrat Si tipe-p menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Film tipis dideposisikan dalam 1 kali pelapisan dengan metode spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Anneling dilakukan pada temperatur 850o_{C, 900}o_{C dan 950}o_{C selama} 15 jam pada masing-masing film tipis terdeposisi. Ketebalan dan morfologi permukaan film tipis BST dikarakterisasi dengan SEM JEOL model JSM-35C, Komposisi penyusun BST dikarakterisasi menggunakan EDS. Konstanta dielektrik dari film tipis diuji dengan menggunakan rangkaian yang dihubungkan pada sinyal generator, tahanan, dan osiloskop. Efek Fotovoltaik dari film tipis BST dan BGST diuji dengan rangkaian film tipis yang disinari oleh lampu (0 watt, 25 watt,dan 100 watt) dan dihubungkan terhadap tahanan sebesar 1Mohm. Efek piroelektrik dari film tipis BST dan BGST diuji dengan menggunakan rangkaian op-amp voltage to current

converter dengan variasi suhu dari suhu ruang sampai 150o_{C. Hasil karakterisasi SEM}

menunjukkan morfologi permukaan film tipis yang relatif seragam serta ketebalan film tipis sebesar 0,629 m. Hasil karakterisasi EDS menunjukkan adanya penurunan persentase massa dari unsur penyusun film tipis BST. Hasil karakterisasi konstanta dielektrik menunjukkan film tipis bertindak sebagai kapasitor, konstanta dielektrik maksimum terjadi pada film tipis BST pada suhu anneling 9000_{C yaitu sebesar 9.207, dimana secara rata-rata seiring kenaikan suhu anneling,} konstanta dielektrik film tipis semakin menurun. Penambahan pendadah galium membuat konstanta dielektrik semakin menurun. Hasil karakterisasi fotovoltaik telah menunjukkan adanya efek konversi cahaya menjadi listrik dimana suhu anneling yang semakin tinggi membuat hasil keluaran arus semakin kecil, selain itu efek pendadah galium pada film tipis BGST membuat arus keluaran semakin kecil, hasil maksimum terjadi pada film BST dengan suhu anneling 850oC yaitu 13E-7 mV. Pengaruh Intensitas sumber yang semakin tinggi membuat arus fotovoltaik meningkat. Hasil karakterisasi piroelektrik telah menunjukkan adanya gejala perubahan energi panas menjadi listrik, dimana koefisien piroelektrik yang didapat sebagai perbandingan rapat arus dengan laju suhu, koefisien piroelektrik maksimum terjadi pada film tipis BST pada suhu anneling 850 oC berkisar 9E-05. Efek pendadah galium membuat koefisien piroelektrik menurun.

(3)

STUDI EFEK FOTOVOLTAIK DAN PIROELEKTRIK

Ba0,75Sr0,25TIO3

(BST) YANG DIDADAH GALIUM (BGST)

DI ATAS SUBSTRAT SI (100) TIPE-P

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

ERDIANSYAH PRATAMA G74104050

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(4)

Judul Skripsi : Studi Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba

0,75

Sr

0,25

TiO

3

(BST)

yang Didadah Galium (BGST) di atas Substrat Si (100)Tipe-P

Nama

: Erdiansyah Pratama

NRP

: G74104050

Menyetujui :

Pembimbing I

Dr. Irzaman

Pembimbing I

Pembimbing II

Dr.Akhiruddin Maddu

Pembimbing II

Mengetahui :

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

(5)

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Bandung pada tanggal 19 januari 1987. penulis dilahirkan dari keluarga yang sederhana dari pasangan Bapak Erwan dengan Ibu Uce. Penulis merupakan anak pertama dari dua bersaudara.

Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Nilem II bandung pada tahun 1998. kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMPN 2 Bandung sampai dengan tahun 2001dan melanjutkan ke jenjang menengah atas di SMUN 8 Bandung sampai dengan tahun 2004, pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan sarjana strata satu di Jurusan Fisika IPB melalui jalur SPMB.

(6)

PRAKATA

Assalamualaikum Wr. Wb.

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan pembuatan skripsi ini sebagai salah satu syarat dalam kelulusan strata satu di Institut Pertanian Bogor. Shalawat serta salam senantiasa tercurah pada Nabi Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat, serta segenap umatnya hingga akhir jaman.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak dan Ibu tersayang atas doa serta dukungan moril maupum materil.

2. Bapak Dr. Irzaman selaku pembimbing I yang senantiasa memberi pengarahan terbaik. 3. Dr.Akhiruddin Maddu selaku pembimbing II yang senantiasa memberi pengarahan terbaik. 4. Seluruh Dosen Pengajar di Departemen Fisika IPB.

5. Seluruh staf dan karyawan di Departemen Fisika IPB.

6. Seluruh kawan-kawan Fisika angkatan 41 yang baik hati dan senantiasa mendukung kami. 7. Prof. Ika Ismet dari LIPI Bandung, yang telah memberi pengarahan mengenai penelitian ini. 8. Kawan-kawan SISCO yang senantiasa ada dan mendukung saya.

9. kawan-kawan AADC crew yang senantiasa mendukung saya. 10. Bapak Warya atas bantuannya di Laboratorium Fismatel ITB. 11. Bapak Wikanda atas bantuannya di Laboratorium SEM PPGL. 12. Semua pihak yang telah membantu saya dalam penulisan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan masukan baik berupa kritik, saran, dan koreksi lain yang membangun untuk mengisi kekurangan-kekurangan pada skripsi ini.

Semoga hasil dari penulisan skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Wassalamualaikum Wr. Wb.

Bogor, Mei 2008

(7)

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR... viii

DAFTAR LAMPIRAN ... ix PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang ... 1 Tujuan Penelitian... 1 TINJAUAN PUSTAKA... 1 Material Piroelektrik ... 1 Substrat-Si (Silikon) ... 2

Barium Stronsium Titanate (Ba0,75Sr0,25TiO3) ... 2

Bahan Pendadah Galium Oksida (Ga2O3) ... 3

Metode Chemical Solution Deposition (CSD)... 3

Efek Fotovoltaik ... 4

Kapasitor dan konstanta dielektrik ... 5

SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDS (Electron Dispersion Spectroscopy) ... 6

BAHAN DAN METODE... 7

Tempat dan Waktu Penelitian... 7

Bahan dan Alat Penelitian ... 7

Pembuatan Film Tipis... 7

Persiapan Substrat ... 7

Pembuatan Larutan BST... 7

Proses Deposisi BST ... 7

Proses Annealing ... 7

Pembuatan Kontak alumunium... 8

Karakterisasi SEM dan EDS... 8

Karakterisasi Konstanta Dielektrik... 8

Karakterisasi Fotovoltaik... 9

Karakterisasi Piroelektrik ... 9

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 10

Karakterisasi SEM dan EDS... 10

Karakterisasi Konstanta Dielektrik... 11

Karakterisasi Fotovoltaik... 13

Karakterisasi Piroelektrik ... 15

KESIMPULAN DAN SARAN ... 17

Kesimpulan... 17

Saran... 17

DAFTAR PUSTAKA... 17

(8)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1. Komposisi Penyusun BST dalam edx oxide... 10

Tabel 4.2. Komposisi Penyusun BST dalam edx pure... 11

Tabel 4.3. Hasil Keseluruhan konstanta dielektrik film tipis BST dan BGST... 13

Tabel 4.4. Hasil keseluruhan arus fotovoltaik pada film tipis BST dan BGST... 14

Tabel 4.5. Hasil keseluruhan koefisien piroelektrik pada film tipis BST dan BGST... 16

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Hubungan suatu kekonduksian bahan terhadap suhu ... 2

Gambar 2.2. Struktur dua dimensi kristal silikon ... 2

Gambar 2.3. Penampang melintang kapasitor BST... 2

Gambar 2.4. Struktur BaxSr1-xTiO3... 3

Gambar 2.5. Struktur atom trivalent... 3

Gambar 2.6. Alat spin coating (spin coater) ... 3

Gambar 2.7. Penampang melintang proses spin coating ... 4

Gambar 2.8. Defect pada proses deposisi thin film... 4

Gambar 2.9. Persambungan semikonduktor p-n... 4

Gambar 2.10. Absorpsi optik... 5

Gambar 2.11. Sel surya p-n semikonduktor ketika disinari... 5

Gambar 2.12 . Gambar pengisian muatan pada kapasitor... 6

Gambar 2.13 . Cara kerja SEM... 6

Gambar 3.1. Skema proses annealing ... 8

Gambar 3.2. Kontak Al ... 8

Gambar 3.3. Rangkaian penentuan konstanta dielektrik film tipis... 8

Gambar 3.4. Hasil keluaran Osiloskop untuk perhitungan konstanta dielektrik... 9

Gambar 3.5. Rangkaian pengukuran fotovoltaik... 9

Gambar 3.6. Rangkaian current to voltage converter (piroelektrik)... 9

Gambar 4.1. Morfologi permukaan film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850oC dan perbesaran 5.000 kali... 10

Gambar 4.2. Morfologi permukaan film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850o_{C dan perbesaran 20.000 kali... 10}

Gambar 4.3. Penampang melintang film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850o_{C dan perbesaran 20.000 kali... 10}

Gambar 4.4. komposisi penyusunnya BST dalam edx oxide... 11

Gambar 4.5. komposisi penyusunnya BST dalam edx pure... 11

Gambar 4.6. Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu 850 o_{C... 12}

Gambar 4.7. Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu 900 o_{C... 12}

Gambar 4.8. Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu 950 oC... 12

Gambar 4.9. Hasil dielektrik pada film tipis BGST pada suhu 850 o_{C... 12}

(9)

pada suhu anneling 850o_{C, 900}o_{C, dan 950}o_{C... 14}

Gambar 4.14. Grafik piroelektrik pada film BST dengan suhu anneling 850 0_{C... 16}

Gambar 4.15. Grafik piroelektrik pada film BST dengan suhu anneling 900 0C... 16

Gambar 4.16. Grafik piroelektrik pada film BST dengan suhu anneling 950 0_{C... 16}

Gambar 4.17. Grafik piroelektrik pada film BGST dengan suhu anneling 850 0_C...16

Gambar 4.20. Hasil pengukuran koefisien piroelektrik pada suhu anneling 850o_{C, 900}o_{C, dan 950}o_C………16

DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Diagram alir penelitian... 20

Lampiran 2. Data lengkap hasil perhitungan karakterisasi konstanta dielektrik ... 21

(10)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Material dielektrik, umumnya jenis kovalen atau ionik, mempunyai energi gap yang besar antara pita valensi dan pita konduksi, material ini mempunyai hambatan listrik yang tinggi dan aplikasi terpenting adalah sebagai isolator, yang menghalangi transfer muatan listrik, dan kapasitor, yang menyimpan muatan listrik. Material dielektrik ini mempunyai sifat piroelektrik, pizoelektrik dan ferroelektrik [1].

Barium stronsium titanat, BST, merupakan material ferroelektrik yang telah sangat dikenal dan sangat berpotensi sebagai thin film integreted host karena sifat elektronik dan elektrooptiknya [2]. Karakteristik BST adalah

memiliki konstanta dielektrik, kapasitas

penyimpanan muatan dan polarisasi yang tinggi, maka bahan BST dapat digunakan dalam aplikasi elektronik seperti : penggunaan FRAM (Ferroelectric Random Acces Memory),

pembuatan kapasitor film tipis, sensor

piroelektrik karena adanya perubahan suhu, sebagai sensor tekanan (Piezoelectric), sensor cahaya yang memaanfaatkan sifat persambungan semikonduktor [3].

Efek fotovoltaik (PV) merupakan fenomena dimana suatu material dapat mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung, pertama kali diamati oleh seorang fisikiawan Prancis bernama Edmond Becquerel (1839). Hasil pengamatan ini dilanjutkan oleh ilmuwan-ilmuwan selanjutnya seperti Heinrich

Hertz (1870) yang pertama kali

mendemonstrasikan sel PV padat dari bahan semikonduktor (bahan selenium). Sel PV ini hanya mampu mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik dengan efisiensi 1% sampai 2 % [4].

Penumbuhan film BST yang didadah oleh bahan pengotor galium oksida (BGST) merupakan salah satu penelitian yang telah banyak diuji. Dalam penelitian ini, perbedaan konsentrasi larutan merupakan salah satu pembeda dari penelitian-penelitian sebelumnya. Penumbuhan film BST dapat dilakukan dengan beberapa metode, salah satunya metode chemical solution deposition (CSD). Beberapa alasan digunakannya metode ini dikarenakan kontrol stokiometri yang mudah, dan sintesis dapat terjadi pada temperatur rendah [2].

Tujuan Penelitian

 Melakukan penumbuhan film tipis BST

murni dan film tipis dengan bahan pendadah galium oksida (BGST) diatas substrat Si (100) tipe-p dengan metode chemical solution deposition (CSD).

 Melakukan uji SEM dan EDS pada film

tipis BST dan BGST.

 Mengukur konstanta dielektrik film

tipis BST dan BGST.

 Melakukan uji fotovoltaik film tipis BST dan BGST.

 Melakukan uji piroelektrik film tipis BST dan BGST.

TINJAUAN PUSTAKA

Material Piroelektrik

Beberapa material yang mempunyai simetri kristal rendah, diketahui bermuatan listrik apabila dipanaskan; hal ini disebut piroelektrik. Karena simetrinya rendah, letak pusat gravitasi muatan positif dan negatif di sel satuan terpisah hingga terbentuk momen dipol permanen. Selain itu, pengarahan dipol individu menghasilkan momen dipol menyeluruh yang tidak sama dengan nol untuk kristal tersebut. Material piroelektrik digunakan sebagai detektor radiasi elektromagnetik untuk rentang yang lebar mulai dari ultraviolet hingga gelombang mikro; pada radiometer dan termometer yang peka terhadap perubahan temperatur yang kecil yaitu 6x10-6 o_{C. Telah dikembangkan pula kamera TV} piroelektrik untuk pembuatan citra inframerah dan sangat bermanfaat pula untuk penginderaan dalam asap. Material BST cocok untuk penginderaan ini [1].

Suatu bahan piroelektrik semikonduktor

ialah bahan dengan kekonduksian elektrik meningkat seiring dengan kenaikan suhu (lihat gambar 2.1). Di bawah suhu tertentu bahan tersebut tidak mengkonduksi. Dengan kata lain, suatu suhu tertentu diperlukan untuk elektron bergerak [5].

Pirosensor memiliki beberapa

(11)

2

Gambar 2.1. Hubungan suatu kekonduksian bahan terhadap suhu [5].

Substrat-Si (Silikon)

Silikon adalah unsur yang paling melimpah ruah kedua di kerak bumi setelah oksigen. Sebagian besar unsur bebas silikon tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk penggunaan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metoda pelelehan berzona kristal Czochralski. Kristal silikon ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan [6].

Silikon oksida (SiO2) digunakan sebagai gate dielektrik karena bentuk non kristal (amorphous) yang sesuai untuk insulator, dengan daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10 MV/cm), kestabilan terhadap panas, dan lebih lagi karena kualitas interlayer Si/SiO2 yang tinggi

(jumlah muatan yang terjebak dalam

interlayer<1011/cm). Kualitas interlayer Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian utama channel dimana carrier (baik hole atau elektron) melintas. Sampai saat ini belum ada yang bisa menandingi SiO2 [7].

Gambar 2.2. Struktur dua dimensi kristal silikon [8].

Struktur atom kristal silikon terdiri dari satu inti atom yang masing-masing terdiri dari 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 buah elektron (oktaf), sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu 0 K struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar 2.2 [8].

Barium Stronsium Titanat (Ba0,75Sr0,25TiO3)

Barium stronsium titanat, BaxSr1-xTiO3(BST) merupakan material yang telah berkembang pesat dalam aplikasinya sebagai ferroelektrik device [9]. Karakteristik BSTdapat diaplikasikan dalam berbagai macam piranti seperti; konstanta dielektrik yang tinggi membuat BST dapat digunakan sebagai DRAMs (Dynamic Access Random Memories) [10] dan juga dapat diaplikasikan dalam pembuatan multi-layer capasitor (MLC) [11] (kapasitor BST secara melintang ditunjukan pada gambar 2.3), selain itu BST juga memiliki kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity), kebocoran arus yang rendah (low leakage current) dan memiliki kekuatan breakdown yang tinggi pada temperatur curie yang dapat diaplikasikan sebagai NVRAM (Non-Volatil Random Access memories) dan FRAM (Ferroelectric Random Access Memories) [12].

Struktur BST dapat dilihat pada gambar 2.4. ion Ba2+ _{atau Sr}2+ _{terletak pada ujung rusuk} kubus, ion titanium (Ti4+_{) terletak pada diagonal} ruang yang dikelilingi oleh ion oksigen pada diagonal bidang. Film tipis BaxSr1-xTiO3 (BST) dapat dibuat dengan berbagai macam metode diantaranya: Chemical Solution Deposition (CSD), Laser Ablasi, dan Metal Oxide Chemical Vapour deposition (MOCVD ) [13].

Berikut Persamaan reaksi BST

(Ba0.75Sr0.25TiO3) :

0.75Ba(CH3COO)2 + 0.25Sr(CH3COO)2 +

Ti(C12H28O4) + 22O2 Ba0.75Sr0.25TiO3+ 16CO2 + 17H2O

(12)

3

Gambar 2.4. Struktur BaxSr1-xTiO3 [9].

Bahan Pendadah Galium Oksida (Ga2O3)

Galium merupakan bahan pendadah yang tergolong dalam hard dopant, dan memiliki

karakterisitik sebagai berikut ; dapat

menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih kuat baik dalam kualitas mekanik maupun kualitas listriknya [9].

Bahan pendadah jenis hard dopant

merupakan bahan pendadah yang dapat menghasilkan film tipis yang pembawa mayoritasnya adalah hole atau secara singkat membuat film tipis cenderung bertipe-p [9]. Atom galium memiliki atom valensi sebanyak tiga buah (trivalent), karena setiap atom trivalent hanya membawa tiga elektron dalam lintasan valensi di dalam dirinya, maka hanya tujuh buah elektron yang akan beredar di dalam lintasan valensinya (lihat gambar 2.5). Dengan kata lain, sebuah hole terjadi di dalam setiap atom trivalent. Dengan mengatur jumlah penambahan impuritas, kita dapat mengatur jumlah dari hole di dalam kristal [8].

Galium yang merupakan atom-atom trivalent disebut juga sebagai atom-atom akseptor karena setiap hole yang mereka sumbangkan dapat

menerima sebuah elektron pada waktu

penggabungan kembali (Rekombinasi) [8].

Gambar 2.5. struktur atom trivalent [8].

Metode Chemical Solution Deposition (CSD)

Lapisan Barium Stronsium Titanat,

Ba0,75Sr0,25TiO3, dapat dibentuk melalui beberapa metode seperti chemical solution deposition (CSD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), rf sputtering, dan pulsed laser ablation deposition (PLAD). Metode CSD dipilih karena memiliki kontrol stokiometri yang baik, mudah untuk pembuatannya dan sintesis terjadi pada temperatur rendah. Mekanisme kristalisasi dalam penumbuhan lapisan tipis CSD berbeda dari fenomena yang diasosiasikan dengan epitasi fase uap. Penumbuhan kristal pada CSD dilaporkan stabil secara termodinamika [2].

Metode Chemical Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan putar tertentu biasanya digunakan kecepatan putar 3000 rpm (lihat gambar 2.6 dan 2.7) [2, 14, 15].

Dalam proses penumbuhan film dengan metode CSD sering kali dijumpai defect yang mengakibatkan lapisan penanaman pada substrat tidak sempurna (lihat gambar 2.8). Kesalahan ini dapat diakibatkan oleh beberapa hal yakni : adanya penetesan larutan yang tak menyeluruh, tergoresnya film tipis oleh alat-alat keras dan adanya zat-zat luar yang mengakibatkan larutan menjadi terkontaminasi. Oleh karena itu dalam penelitian ini proses pendeposisian dilakukan di ruang asam yang tertutup dan bersih [16].

(13)

4

Gambar 2.7. Penampang melintang proses spin coating [16].

Gambar 2.8. Defect pada proses deposisi thin film [16].

Efek Fotovoltaik

Efek fotovoltaik merupakan konversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung. Piranti yang menghasilkan efek fotovoltaik ini disebut sel surya (solar cell). Saat ini telah dikenal berbagai struktur sel surya berdasarkan

fenomena persambungan semikonduktor

(semiconductor junction), khususnya pada semikonduktor ekstrinsik tipe-n dan tipe-p [4].

Untuk menjelaskan mekanisme konversi

energi cahaya menjadi energi listrik

menggunakan piranti sel surya, maka harus ditinjau melalui fenomena persambungan p-n

semikonduktor (p-n junction). Pada

semikonduktor tipe-n pembawa mayoritasnya adalah elektron yang berasal dari atom-atom donor dan terakumulasi pada level donor Edyang berada sedikit di bawah level konduksi Ec, sedangkan pada semikonduktor tipe-p pembawa mayoritasnya adalah hole yang berasal dari atom-atom akseptor yang berada sedikit di atas level valensi Ev(lihat gambar 2.9).

Gambar 2.9. Persambungan semikonduktor tipe-n dan tipe-p [17].

Transisi dasar dari semikonduktor

diperlihatkan pada gambar 2.10. Ketika semikonduktor disinari maka foton diserap kemudian terbentuk pasangan elektron-hole seperti terlihat pada proses (a) jika hEg. Pada proses (b), ketika hEg maka pasangan elektron-hole terbentuk dan tambahan energi diubah dalam bentuk panas. Proses (a) dan (b) dinamakan transisi intrinsik (transisi band to band). Pada proses (c), elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk melewati energi gap (hEg ).[17,18,19].

(14)

5

Gambar 2.10. Absorpsi optik [19]. (a) h



Eg (b) h



Eg (c) h



Eg

Gambar 2.11. Sel surya p-n Semikonduktor ketika disinari [4].

Ketika bahan semikonduktor menyerap foton dengan energi (hv) lebih besar dari lebar celah energi (Eg) semikonduktor, maka elektron-elektron akan tereksitasi dari level valensi ke level konduksi dan menjadi elektron bebas

(Gambar 2.11). Karena adanya medan elektrostatik pada persambungan, maka elektron-elektron tersebut akan menuju sisi n (pada pita

konduksi), sedangkan hole-hole yang

ditinggalkan pada level valensi akan mengalir ke sisi p (pada pita valensi), masing-masing menuju kontak arus. Sehingga bila dihubungkan dengan rangkaian luar (external circuit) maka muatan-muatan pembawa tersebut akan mengalir dengan arah yang berlawanan dan pada akhirnya saling berekombinasi kembali di dalam bahan semikonduktor. Aliran muatan-muatan pembawa tersebut menghasilkan arus listrik yang dapat diukur dengan alat-alat ukur listrik [4].

Kapasitor dan Konstanta Dielektrik

Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan litrik yang tinggi sekitar 1011 _{ohm untuk mencegah aliran muatan di} antara pelat kapasitor. Kemampuan material untuk polarisasi dinyatakan sebagai permitivitas, dan permitivitas relatif/konstanta dielektrik. konstanta dielektrik () adalah rasio antara permitivitas material dengan permitivitas vakum [1].

Kapasitor dapat digunakan untuk pengisian dan pengosongan muatan. Proses pengisian muatan pada kapasitor dapat dianalisis pada gambar 2.12. Kita asumsikan mula-mula kapasitor tidak bermuatan. Saklar, terbuka pada awalnya, ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal kirchoff memberikan hubungan :





V

_R



V

_c



0

(2.1) Atau





0 C

Q

IR



(2.2)

Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat :

dt

dQ

I





(2.3) Subtitusikan persamaan 2.3 ke 2.2 :

C

Q

dt

dQ

R







(2.4)

Pada saat t = 0, muatan pada kapasitor nol dan arusnya

I

₀





/

R

. Muatan lalu bertambah dan

arus berkurang, seperti tampak pada

persamaan 2.2. muatan mencapai maksimum



C

Q

_f



ketika arus I sama dengan nol..

Persamaan 2.4 diubah menjadi bentuk :

C

Q

dt

dQ

RC







(2.5)

Lalu pisahkan variabel-variabel Q dan t dengan mengalikan tiap sisi dengan dt/RC dan

(15)

6

Dengan mengintegralkan tiap sisi diperoleh :



ln(

C





Q

)



t

/

RC



A

(2.7) Dimana A adalah konstanta sembarang. Dengan mengeksponensialkan persamaan 2.7 didapat:

RC t RC It A

_e

_Be

e

Q

C

_

_

_

  /

_

 / Atau RC t

Be

C

Q

_

_

_

/ _(2.8)

Di mana B = eA_{adalah konstanta lainnya. Nilai} B ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0. dengan membuat t = 0 dan Q = 0 dalam persamaan 2.8 memberikan

B

C







0

Atau

B



C



(2.9)

Dengan mensubtitusikan persamaan 2.9 ke persamaan 2.8 maka :



1

/



(

1

/

)



t f RC t

_Q

_e

e

C

Q

_

_



_

_

 (2.10)

Di mana

Q

_f



C



adalah muatan akhir.

Arus diperoleh dengan mendiferensialkan persamaan 2.10 :

)

/

1 (

/

_RC

e

C

dt

dQ

I

_

_

_

t RC

_

Atau 



/ 0 /RC t t

_I

_e

e

R

I

_



_

 _(2.11)

Dimana τ = konstanta waktu

Gambar 2.12. Gambar rangkaian pengisian muatan pada kapasitor.

SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDS (Electron Dispersion Spectroscopy

)

Teknik SEM pada hakikatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Data yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari film yang tebalnya sekitar 20μm dari permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan dan lekukan permukaan. Gambar topografi diperoleh dari penangkapan pengolahan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen. Prinsip kerja SEM adalah scanning yang berarti bahwa berkas elektron menyapu permukaan spesimen (lihat gambar 2.13), titik demi titik dengan sapuan membentuk garis demi garis, mirip seperti gerakan mata yang membaca. Sinyal elektron sekunder yang dihasilkannya berasal dari titik pada permukaan yang selanjutnya ditangkap oleh

SE detector yang kemudian diolah dan

ditampilkan pada layar monitor. Scanning coil

yang mengarahkan berkas-berkas elektron

bekerja secara sinkron dengan pengarah berkas elektron pada layar monitor. Sinyal lain yang penting adalah back scattered electrons yang intensitasnya tergantung pada nomor atom unsur yang ada pada permukaan spesimen. Dengan cara ini akan diperoleh gambar yang menyatakan perbedaan unsur kimia. Selain itu, dengan SEM kita dapat mengetahui ketebalan film tipis [14,19].

Gambar 2.13. Cara kerja SEM [22].

ε

_R

Saklar

(16)

7

EDS (Electron Dispersion Spectroscopy)

merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengetahui komposisi penyusun dari suatu senyawa sehingga dapat mengetahui kesesuaian dengan stokiometri pembuatannya. EDS adalah suatu alat yang dirangkai pada SEM. Radiasi yang terpenting adalah sinar-x karakteristik yang diemisikan sebagai akibat tumbukan elektron pada atom-atom sampel. Analisis dari energi terhadap cacah, puncak-puncak yang muncul dapat menghasilkan informasi kualitatif dan kuantitatif mengenai komposisi penyusun pada sampel [22].

BAHAN DAN METODE

Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium

Material Departemen Fisika IPB dan

Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika ITB (untuk pembuatan kontak) dari bulan februari 2007 sampai dengan bulan april 2008.

Bahan dan Alat Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan antara lain : bubuk barium asetat [Ba(CH3COOH)2, 99%], larutan titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28),

99%],2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH,

99%], Substrat Si(100) tipe-p, Galium oksida, Asam Florida HF 5%, aquadest.

Peralatan yang digunakan sebagai berikut : pemotong substrat, timbangan Sartonius Model BL 6100, reaktor spin coating, mortar, pipet, gelas ukur, tabung reaksi, pinset, spatula, ,sarung tangan karet, gunting, beker gelas, tissue, isolasi, kertas saring, Stop watch, seperangkat alat furnace model Vulcan 3-310 untuk proses annealing, Alumunium foil, Beaker Glas,

Masker, kompresor udara, mikrovoltmeter,

kabel, Bread Board.

Pembuatan Film Tipis

Persiapan Substrat

Substrat yang akan digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Substrat berbentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm.

Substrat Si(100) tipe-p dicuci dan

dibersihkan dengan cara direndam dalam larutan Asam Florida (HF 5%) sebanyak 2 % dari dye water/aquades yang ditentukan.

Pembuatan Larutan BST

1) Barium Asetat dan Stronsium Asetat yang telah digerus selama 3 jam, diambil sebanyak 0,479 gram dan 0,1285 gram untuk dicampur dengan 0,7105 gram Titanium Isopropoksida dan 2,5 ml 2-Metoksietanol dalam gelas ukur.

2) Tutup rapat-rapat tabung reaksi, kemudian di kocok selama 1 jam agar campuran dapat larut dengan baik.

3) Setelah larut, panaskan tabung reaksi yang berisikan larutan tersebut diatas setrika bersuhu ±1200_{C selama 1 jam.}

4) Setelah dipanaskan, saring larutan BST dengan kertas saring.

5) BST siap di deposisi dengan teknik CSD. 6) Pada pembuatan BST ada yang ditambahkan

galium oksida (Ga2O3) sebagai pendadah sebanyak 5% atau 0,0275.

Proses Deposisi BST

1) Substrat Si (100) ditempelkan pada plat pemutar.

2) Larutan BST diteteskan di atas substrat tersebut sebanyak 1 tetes .

3) Alat spin coating diputar dengan laju 3000 rpm selama 30 detik.

4) Substrat + lapisan BST dipindahkan ke pemanas (setrika) dengan suhu ±1200_C selama 1 jam.

Setelah itu dilakukan proses annealing selama 15 jam pada variasi suhu 8500C, 9000C dan 9500_C.

Proses Annealing

Beberapa metode yang memanfaatkan deposisi dari fasa uap atau penembakan langsung dengan partikel, ion, atau radiasi yang diuraikan, setiap proses yang dibahas terdiri dari tiga tahapan: (1) Sumber bahan untuk pelapisan, (2) bahan tersebut dipindahkan dari sumber ke permukaan substrat, dan (3) bahan pelapis berpenetrasi dan memodifikasi permukaan substrat atau membentuk lapisan penutup. Proses annealing ditunjukkan seperti terlihat pada gambar 3.1. Proses annealing pada film dilakukan dengan menggunakan furnace model Vulcan 3-310.

(17)

8

Gambar 3.1 Proses annealing.

Pembuatan Kontak Alumunium

Pembuatan kontak dilakukan di laboratorium Fisika Material Institut Teknologi Bandung.

Proses penumbuhan alumunium dilakukan dengan metode evaporasi pada tekanan 10-3 _barr. Proses penumbuhan alumunium ini bertujuan

untuk mempermudah karakterisasi yang

dilakukan pada kabel penghubung dengan multimeter.

Pemberian kontak alumunium dilakukan pada film dan substrat seperti yang tercantum pada gambar 3.2.

Gambar 3.2. Kontak Al [23].

(Lampiran 1 Menunjukan Diagran alir

Penelitian).

Karakterisasi

Karakterisasi SEM dan EDS

Morfologi permukaan film tipis dan ketebalan film tipis diobservasi dengan menggunakan SEM JEOL model JSM-35C. Komposisi penyusun film tipis BST diobservasi menggunakan EDS.

Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis Ba0,75Sr0,25TiO3(BST)

Penentuan konstanta dielektrik



dilakukan dengan menyusun rangkaian elektronik dan film tipis seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.5 kemudian hasil keluarannya dihitung dengan menggunakan persamaan 2.1 sampai 2.5 [17].

Perhitungan Konstanta dielektrik dilakukan sebagai berikut :

I = Io e-t/RC (3.1) nilai maksimum terjadi pada saat

e

I

_

0 _, RC t

e

I

e

I





₀ 0 (3.2)

Sehingga didapat hubungan t = RC, atau

R

t

C



(3.3) Dari hubungan

d

A

C





0 (3.4) Dimana:

0= permitivitas relatif dalam ruang hampa = 8,85 x 10-12_C2_{/N m}2_;

A = luas kontak film tipis =1 x 10 -4_m2_. d = Ketebalan Film tipis,

sehingga Konstanta dielektrik film tipis

0



Ax

Cxd



(3.5)

Gambar 3.3. Rangkaian penentuan konstanta dielektrik film tipis [22].

(18)

9

Gambar 3.4. Hasil keluaran Osiloskop untuk perhitungan konstanta dielektrik [24].

Karakterisasi Fotovoltaik.

Pengujian Fotovoltaik film tipis dilakukan pada rangkaian seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.5. Pengujian Fotovoltaik ini bertujuan untuk menentukan hubungan antara besaran suhu anneling dan konsentrasi pendadah dengan tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sel fotovoltaik. Hasil pengujian fotovoltaik berupa tegangan yang dianggap sebagai tegangan keluaran film tipis. Hubungan tegangan dan arus yang dihasilkan oleh film tipis dapat dihitung dengan menggunakan hukum OHM yang dituliskan dalam persamaan:

V=I.R (3.6) Dimana R = 1Mohm, sehingga

Vout =ITF.1Mohm (3.7) Arus yang dihasilkan;

Mohm

V

I

out TF

1 

(3.8)

Dimana Vout merupakan hasil keluaran yang

terbaca pada rangkaian 3.5 dan ITF merupakan arus yang dihasilkan oleh film tipis yang dapat dihitung dengan persamaan 3.8 [10].

Gambar 3.5. Rangkaian pengukuran fotovoltaik.

Karakterisasi Piroelektrik

Uji Piroelektrik dilakukan untuk mengetahui hubungan arus yang dihasilkan dari suatu film tipis (BST dan BGST) dengan panas yang divariasikan melalui suatu rangkaian op-amp seperti yang tampak pada gambar 3.6. Sensor yang digunakan merupakan sensor suhu dari sumber kalor furnace dengan kenaikan suhu dari suhu ruang sampai suhu 1500_C.

Hasil Keluaran dari op-amp berupa tegangan yang dikonversi menjadi nilai arus kemudian dibuat perbandingan rapat arus dengan kenaikan suhu per satuan waktu dalam suatu analisis regresi linier dimana koefisien arah regresi merupakan nilai dari koefisien piroelektrik.

Perhitungan koefisien piroelektrik dilakukan sebagai berikut:

A

dt

dq

A

dI

J



(3.9)

Dimana J = Rapat arus film tipis. Persamaan (3.9) kalikan dengan momen dipol (l) sehingga didapat:

dt

dP

V

dt

dqxl

l

x

A

dt

dq



(3.10) Dimana P = polarisasi

dt

dT

x

dT

dP

dt

dP 

(3.11) Sehingga

dt

dT

x

dT

dP

A

dI 

(3.12) Dimana

dT

dP

= koefisien piroelektrik. Keterangan :

dt

dT

= 1o_{C/s. [25]} 1 Mohm Film tipis Volt meter

Cahaya lampu 0 watt, 25 watt, 100 watt

V

(19)

10 HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Karakterisasi SEM dan EDS SEM

Gambar 4.1

Morfologi permukaan film tipis BST di atas substrat Si-p (100)

dengan temperatur anneling

850o_{C dan perbesaran 5.000 kali.}

Gambar 4.2.

Morfologi permukaan film tipis BST di atas substrat Si-p (100)

dengan temperatur anneling

850o_{C dan perbesaran 20.000} kali.

Gambar 4.3 Penampang melintang film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850o_C pada perbesaran 20.000 kali.

Karakterisasi SEM bertujuan untuk melihat morfologi permukaan pada film tipis BST yang ditumbuhkan di atas substrat Si (100) tipe-p . Dari hasil foto scanning memperlihatkan film tipis BST dalam keadaan yang homogen. Pada perbesaran 5000 kali, tampak susunan homogen dari butir-butir halus penyusun BST dan pada perbesaran 20.000 kali tampak dengan jelas kehomogenan tersebut.

Pada foto scanning BST hanya sedikit defect yang tampak, hal ini dapat disebabkan oleh tergoresnya film tipis oleh alat-alat keras [18].

Nilai ketebalan film tipis BST pada karakterisasi sem didapat dari perbandingan hasil foto penampang melintang film tipis terhadap skala perbesaran foto scanning. Berdasarkan foto pada penampang melintang film tipis BST didapat nilai ketebalan sebesar 0,679 m.

EDS

Tabel 4.1 Komposisi Penyusun BST dalam EDS oxide.

Gambar 4.4. Grafik penyusun BST dalam EDS oxide.

element keV Mass

(20)

11

Tabel 4.2 Komposisi Penyusun BST dalam EDS

pure.

element keV Mass

% Error % At % O 0,525 9,54 2,70 17,98 Si k 1,739 70,07 0,90 75,18 Ti k 4,508 5,78 2,60 3,64 Sr L Ba L 4,464 14,61 6,39 3,21 Total 100

Gambar 4.5

.

Grafik penyusun BST dalam EDS pure.

Nilai yang ditunjukkan pada karakterisasi EDS (Electron Dispersion Spectroscopy) berupa komposisi penyusun pada film tipis BST yang

ditampilkan dalam bentuk grafik (lihat

gambar 4.4 dan gambar 4.5). Dari hasil tersebut dapat dilihat semua komponen penyusun pada pembuatan BST.

Tabel 4.1 dan 4.2 menunjukkan hasil komponen penyusun BST. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa unsur Si menunjukkan jumlah persentase terbesar, hal ini dikarenakan Si sebagai substrat. Unsur Ba memiliki unsur terbesar kedua setelah Si, hal ini dibenarkan dengan melihat stokiometri Ba yang memiliki konsentrasi sebesar 0,75. Unsur Ti menunjukkan persentase yang bertentangan dengan stokiometri pembuatannya, hal ini diakibatkan oleh unsut Ti yang mudah menguap bila dihubungkan dengan udara luar. Unsur Sr tidak memiliki persentase penyusun pada film tipis BST. Hal ini diakibatkan oleh kecilnya konsentrasi dan mudahnya penguapan yang terjadi pada proses anneling maupun proses pemanasan lainnya. Penguapan yang terjadi dalam proses pemanasan mengakibatkan konsentrasi dari masing-masing

unsur mengalami pengurangan sehingga terdapat perbedaan antara hasil perhitungan stokiometri dengan hasil yang ditunjukkan pada EDS.

Dalam praktiknya pembacaan komposisi penyusun BST ternyata dapat terlihat bahwa unsur yang bukan merupakan penyusun memiliki persentase sebagai penyusun. Hal ini disebabkan oleh adanya kontaminasi zat yang diduga terjadi pada saat proses sputering dan pada proses anneling.

Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik

Perhitungan konstanta dielektrik dari film tipis BST dan BGST menggunakan rangkaian pada gambar 3.3. Hasil keluaran dari osiloskop pada gambar 3.4 diolah seperti yang tertera dalam persamaan 3.1 sampai dengan 3.5.

Meninjau dari persambungan p-n yang terbentuk pada film tipis dan substrat, film tipis yang bertipe-n memiliki muatan negatif bebas serta ion positif statik sedangkan substrat memiliki muatan positif bebas dan ion negatif statik. Tepat pada daerah sambungan dan sekitarnya, terjadi difusi muatan bebas : elektron menuju tipe-p dan hole menuju tipe-n. Peristiwa difusi tersebut disertai terjadinya rekombinasi, yaitu penggabungan elektron dan hole lalu lenyap. Dengan rekombinasi ini, di sekitar daerah sambungan tidak ada lagi muatan-muatan bebas, dan yang tertinggal hanyalah ion-ion statik; yaitu ion-ion dari atom-atom donor dan akseptor. Daerah sambungan dengan ciri ini disebut dengan daerah atau lapisan deplesi. Karena daerah deplesi mengandung muatan positif statik pada salah satu sisi dan muatan negatif pada sisi yang lain, maka timbul medan listrik pada daerah deplesi tersebut dan ini dapat dipandang sebagai keping sejajar. Dengan demikian daerah deplesi memiliki nilai kapasitansi [8].

Nilai konstanta dielektrik merupakan

gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari gambar hasil keluaran pada osiloskop dapat dilihat bahwa kelengkungan pada sinyal kotak menunjukkan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut (lihat hasil tampilan osiloskop pada gambar 4.6 sampai dengan gambar 4.11 untuk perhitungan konstanta dielektrik film tipis BST dan BGST). (Data lengkap hasil perhitungan konstanta dielektrik tertera pada lampiran 2).

(21)

12

gambar 4.12 dan tabel 4.3, dimana nilai

maksimum konstanta dielektrik terjadi pada film

BST suhu 900o_{C dan minimum konstanta}

dielektrik terjadi pada film BGST suhu 9500_C. Secara rata-rata, seiring kenaikan suhu anneling pada film tipis akan menurunkan nilai konstanta dielektriknya. Hal ini dapat disebabkan oleh berkurangnya konsentrasi zat karena penguapan yang terjadi semakin besar seiring dengan meningkatnya suhu anneling.

Pengaruh bahan pendadah galium terhadap nilai konstanta dielektrik dapat dilihat pada gambar 4.12. Dari gambar tersebut penambahan pendadah galium membuat konstanta dielektrik semakin menurun, hal ini disebabkan oleh adanya penurunan konsentrasi elektron yang diakibatkan oleh adanya kelebihan hole, sehingga menurunkan arus konduksi yang membuat waktu pengisian muatan semakin kecil

sehingga kemampuan polarisasi menjadi

berkurang yang mengakibatkan konstanta dielektriknya menjadi turun [27].

Gambar 4.6. Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu anneling 850o_C.

Gambar 4.9.Hasil dielektrik pada film tipis BGST pada suhu anneling 850 o_C.

(22)

13

Gambar 4.11. Hasil dielektrik film tipis BGST pada suhu anneling 950o_C. Tabel 4.3. Hasil Keseluruhan konstanta

dielektrik film tipis BST dan BGST.

Grafik konstanta dielektrik VS suhu anneling

0 2 4 6 8 10 840 860 880 900 920 940 960 suhu anneling (o_C) ko n s ta n ta d ie le kt ri k 0% 5%

Gambar 4.12. Hasil pengukuran konstanta dielektrik film tipis BST dan BGST pada suhu anneling 850o_{C, 900}o_{C, dan 950}o_C.

Hasil Karakterisasi Efek Fotovoltaik

Pengukuran nilai tegangan yang dihasilkan oleh film tipis BST dan BGST diukur dengan menggunakan rangkaian pada gambar 3.4. Tegangan yang terukur kemudian dikonversi menjadi bentuk arus dengan menggunakan persamaan 3.8.

Mekanisme arus yang dihasilkan oleh film tipis BST dan BGST merupakan mekanisme persambungan p-n dioda semikonduktor, dimana BST dan BGST diyakini sebagai tipe-n yang ditanam di atas substrat Si tipe-p. Ketika bahan jenis-p dan bahan jenis-n bersambung maka elektron bebas pada bahan jenis-n akan berdifusi melalui sambungan, masuk ke dalam bahan jenis-p, dan terjadi rekombinasi dengan hole yang ada dalam bahan jenis-p. Sebaliknya juga terjadi, yaitu hole dari bahan jenis-p berdifusi masuk ke dalam bahan jenis-n, dan ber-rekombinasi dengan elektron dan saling meniadakan muatan. Akibatnya, tepat pada sambungan p-n terjadi daerah tanpa muatan bebas, yang disebut dengan daerah pengosongan (depletion region). Oleh karena muatan positif terpisah dari muatan negatif, maka dalam daerah pengosongan terjadi medan listrik, yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik, yang melawan proses difusi selanjutnya, maka terjadi beda potensial listrik antara bagian p dengan bagian n dalam daerah pengosongan [27]. Ketika foton memberikan energi pada bahan ini maka elektron mempunyai energi yang lebih besar untuk melewati bukit potensial sehingga elektron dapat menghasilkan arus dan tegangan, fenomena ini disebut sebagai efek fotovoltaik [4]. Pada karakterisasi ini, dianalisis hubungan antara konsentrasi bahan pendadah, suhu anneling dan intensitas cahaya yang digunakan dengan arus keluaran dari film tipis BST dan BGST.

Pengaruh suhu anneling terhadap arus yang dihasilkan dapat dilihat pada gambar 4.13 dan tabel 4.4, dimana nilai maksimum arus sel fotovoltaik film BST terjadi pada suhu anneling 850o_{C dan seiring kenaikan suhu anneling, nilai} arus film tipis menunjukkan adanya penurunan. Penurunan nilai arus ini diakibatkan oleh penguapan pada proses anneling yang semakin tinggi dan penguapan yang terjadi ini mengakibatkan konsentrasi unsur yang ditanam pada film tipis akan berkurang.

Dari hasil arus sel fotovoltaik, dapat dilihat bahwa penambahan dari pendadah galium dapat menurunkan nilai arus keluaran dari sel fotovoltaik. Penambahan pendadah galium

(23)

14

mengakibatkan jumlah hole semakin banyak.

Galium yang ditambahkan ini memiliki elektron sebanyak tiga buah pada lintasan terluarnya. Setelah penambahan impuritas maka setiap atom trivalent akan dikelilingi oleh empat atom tetangga, karena setiap atom trivalent hanya memiliki tiga buah elektron pada lintasan terluarnya, maka hanya tujuh buah elektron yang beredar di dalam lintasan valensinya, dengan kata lain sebuah hole terjadi di dalam sebuah atom trivalent. Dengan bertambahanya jumlah hole yang diakibatkan oleh pendadah ini, mengakibatkan jumlah hole semakin banyak dan hole baru yang ditimbulkan ini berinteraksi dengan elektron yang dihasilkan oleh oksigen dari campuran BST. Untuk menuju kestabilan, galium cenderung membentuk ikatan dengan oksigen. Rekombinasi hole-elektron ini mengakibatkan elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi akan berkurang dan akibatnya arus elektron pun akan berkurang [9,17].

Tabel 4.4. Hasil keseluruhan arus fotovoltaik pada film tipis BST dan BGST.

Konsentra si Pendadah (Ga) Suhu Anneling (o_C) Intensitas Sumber (watt/m2₎ Arus (mA) 0% 850 0 0 0% 900 0 0 0% 950 0 0 5% 850 0 0 5% 900 0 0 5% 950 0 0 0% 850 25 8E-7 0% 900 25 2E-7 0% 950 25 1E-7 5% 850 25 3E-7 5% 900 25 1E-7 5% 950 25 1E-7 0% 850 100 13E-7 0% 900 100 1E-7 0% 950 100 1E-7 5% 850 100 4E-7 5% 900 100 2E-7 5% 950 100 1E-7

Grafik fotovoltaik antara arus terhadap daya lampu 0 0.0000002 0.0000004 0.0000006 0.0000008 0.000001 0.0000012 0.0000014 0 20 40 60 80 100 120

daya lampu (watt)

ar u s (m A ) 0% 850 5% 850 0% 900 5% 900 0% 950 5% 950

Gambar 4.13. Hasil pengukuran arus

fotovoltaik film tipis BST

dan BGST pada suhu

anneling 850o_{C, 900}o_{C, dan} 950o_C.

Pengaruh intensitas cahaya sumber yang digunakan dalam karakterisasi ini menunjukkan adanya peningkatan nilai arus ketika nilai intensitas sumber dinaikkan (lihat gambar 4.13). Ketika film tipis belum disinari arus keluaran fotovoltaik sama dengan nol, hal ini menandakan

tidak adanya interaksi elektron yang

menghasilkan arus. Ketika intensitas 25 watt/m2_, menunjukkan adanya arus keluaran dan ketika

intensitas dinaikkan menjadi 100 watt/m2

menunjukkan adanya kenaikan arus yang dihasilkan. Hal ini dapat dianalisis dengan menggunakan teori efek fotolistrik. Ketika energi foton membawa energi sebesar hΰ menuju suatu permukaan logam, maka energi ini digunakan elektron sebagai energi tambahan untuk melawan fungsi kerja dari logam tersebut [18]. Semakin tinggi intensitas dari suatu sumber maka akan semakin besar energinya yang membuat tambahan energi elektron semakin besar sehingga menghasilkan arus yang lebih besar.

Hasil Karakterisasi Piroelektrik

Karakterisasi piroelektrik dilakukan untuk menghasilkan keluaran berupa tegangan yang dikonversi menjadi bentuk arus sebagai hasil interaksi muatan seiring dengan adanya tambahan energi berupa panas. Hasil keluaran arus ini diplotkan menjadi bentuk rapat arus yang dibandingkan dengan kenaikan suhu per satuan waktu dalam grafik linier [25].

(24)

15

Pada umumnya semikonduktor bersifat

sebagai isolator pada suhu 00_{C dan bersifat} konduktor pada suhu kamar. Pada suhu kamar banyak elektron valensi yang terlepas dari ikatan kovalen oleh karena adanya getaran atom. Dikatakan elektron valensi ini menjadi elektron bebas oleh eksitasi termal. Jika di dalam bahan diberi medan listrik, yaitu dengan memberikan beda potensial antara kedua ujung kristal, elektron ini akan bergerak menjadi aliran atau arus listrik. Semakin tinggi suhu maka semakin banyak elektron bebas yang terjadi dan semakin besar pula arus yang mengalir, yang berarti

semakin rendah hambatannya [27]. Pada

karakterisasi ini, dianalisis hubungan antara konsentrasi bahan pendadah, suhu anneling yang digunakan dengan koefisien piroelektrik dari film tipis BST dan BGST

Gambar 4.14 sampai dengan gambar 4.19 menunjukkan hasil plot gambar antara rapat arus dengan kenaikan suhu per satuan waktu pada film tipis BST dan BGST. Dari keseluruhan hasil gambar tersebut tampak nilai arus yang meningkat dengan adanya kenaikan suhu. Hal ini bersesuaian dengan studi pustaka dimana pada suhu ruang bahan semikonduktor menunjukkan adanya kekonduksian arus. Semakin tinggi suhu yang diberikan maka semakin tinggi arus yang dihasilkan [5]. Dari plot gambar tersebut didapat suatu persamaan regresi linier dimana nilai dari koefisien piroelektrik menunjukkan adanya hubungan positif yang berarti seiring dengan kenaikan suhu maka akan menaikkan nilai arus dari sel piroelektrik ini. Mekanisme kenaikan arus ini merupakan hasil dari interaksi muatan ketika suatu material semikonduktor diberi tambahan energi berupa energi kalor [1,5]. Dengan adanya kenaikan kalor maka akan mempermudah elektron untuk dapat berpindah dari pita valensi menuju pita konduksi yang berarti akan menaikkan arus keluaran pada sel piroelektrik ini. Pembawa mayoritas berupa elektron jumlahnya akan meningkat seiring dengan adanya kenaikan suhu [26].

Hasil plot pada grafik piroelektrik merupakan hasil yang didapat sebelum terjadinya perubahan fasa pada sel piroelektrik. Dari hasil grafik piroelektrik dapat dilihat bahwa tidak semua sel mengalami kenaikkan arus ketika diberi suhu yang lebih tinggi. Hal ini tampak dengan jelas pada gambar 4.18 dan gambar 4.19. Pada gambar tersebut tampak beberapa selang dimana nilai arus tidak meningkat ketika diberi suhu yang lebih tinggi. Perbedaan mengenai kekonduksian arus ini merupakan karakteristik dari masing-masing sel piroelektrik.

Pengaruh suhu anneling terhadap koefisien piroelektrik dapat dilihat pada gambar 4.20 dan tabel 4.5. Nilai koefisien piroelektrik maksimum terjadi pada film tipis BST pada suhu anneling 850o_{C. Pada suhu anneling 900}o_{C menunjukkan} nilai koefisien piroelektrik yang menurun dan koefisien piroelektrik yang minimum terjadi pada suhu anneling 950o_{C. Pada film tipis BST,} nilai koefisien piroelektrik semakin menurun dengan naiknya suhu anneling, hal ini dapat diakibatkan oleh proses penguapan yang membuat konsentrasi unsur penyusun BST

menjadi berkurang akibatnya konsentrasi

elektron berkurang dan arus yang dihasilkan akan semakin turun.

Pada film tipis BGST, nilai koefisien piroelektrik

maksimum pada suhu anneling 850o_{C dan}

minimum pada suhu anneling 900o_{C. Pada} suhu anneling 9500_{C, koefisien piroelektrik} menunjukkan nilai diantara suhu 850o_{C dan} 9000_{C. Secara rata-rata, dengan adanya kenaikan} suhu anneling maka akan menurunkan koefisien piroelektrik dari film tipis BGST. Hal ini dapat diakibatkan proses penguapan yang semakin besar dengan adanya proses anneling yang lebih tinggi (lampiran 3 menunjukkan data lengkap hasil piroelektrik).

(25)

16

Grafik piroelektrik film tipis BST pada suhu anneling 850 oC y = 9E-05x 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0 1 2 3 4 5 6 dT/dt (o_C/s) d I/ A ( m A /m 2)

Gambar 4.14. Grafik piroelektrik pada film tipis BST dengan suhu anneling 8500_C.

Grafik piroelektrik film tipis BST pada suhu anneling 900 o_C y = 6E-05x 0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0 1 2 3 4 5 dT/dt (o_C/s) dI /A (m A /m 2)

Grafik Piroelektrik film tipis BGST pada suhu anneling 950 oC y = 5E-05x 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0 1 2 3 4 5 6 7 dT/dt (o_C/s) d I/ A ( m A /m 2)

Grafik Piroelektrik film tipis BGST pada suhu anneling 850 oC y = 7E-05x 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0 2 4 6 8 10 12 dT/dt (o_C/s) d I/ A ( m A /m 2)

Gambar 4.17. Grafik piroelektrik pada film BGST dengan suhu anneling 8500_C.

Grafik Piroelektrik film tipis BGST pada suhu anneling 900 o_C y = 3E-05x 0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0 2 4 6 8 10 12 dT/dt (o_C/s) dI /A ( m A /m 2)

Grafik piroelektrik film tipis BGST pada suhu anneling 950 o_C y = 4E-05x 0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0 1 2 3 4 5 dT/dt (o_C/s) dI /A (m A /m 2)

Tabel 4.5. Hasil koefisien piroelektrik pada film tipis BST dan BGST.

Grafik piroelektrik film tipis BST dan BGST

0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 840 860 880 900 920 940 960 Suhu anneling (o_C) K o ef is ie n p ir o el ek tr ik (C /m 2oC ) 0% 5%

Gambar 4.20. Hasil pengukuran koefisien piroelektrik film tipis BST

dan BGST pada suhu

(26)

17 Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan

Berdasarkan hasil eksperimen, analisis data dan pembahasan yang didukung oleh adanya studi pustaka dapat disimpulkan bahwa Hasil SEM dari film tipis BST menunjukkan adanya kehomogenan pada film tipis tersebut. Ketebalan dari film tipis BST sebesar 0,629 m. Hasil EDS menunjukkan bahwa komposisi penyusun pada BST tidak begitu sesuai dengan stokiometri pada pembuataanya. Hasil konstanta dielektrik secara rata-rata menunjukkan adanya penurunan ketika suhu anneling dinaikkan, begitu pula dengan efek pendadah galium yang membuat nilai konstanta dielektrik semakin turun. Hasil efek fotovoltaik film tipis BST dan BGST menunjukkan adanya penurunan ketika suhu anneling dinaikkan, begitu pula dengan efek penambahan pendadah galium yang membuat nilai arus semakin turun. Hasil koefisien piroelektrik menunjukkan adanya penurunan ketika suhu anneling dinaikkan. begitu pula dengan efek penambahan pendadah galium yang membuat nilai koefisien piroelektrik semakin turun.

Saran

Pada penelitian selanjutnya untuk

mendapatkan hasil yang lebih baik, disarankan untuk melakukan teknik pendeposisian yang lebih terkontrol dan ruang pendeposisian harus bersih agar dapat mengurangi kontaminasi zat pada film tipis.

Pada proses anneling sebaiknya dilakukan secara masing-masing, karena kontaminasi zat akan terjadi pada proses penguapan.

Pada penelitian selanjutnya sebaiknya dibuat transistor berbasis BST.

Daftar Pustaka

[1]. Smallman R.E, R.J Bishop. Metalurgi

Fisik Modern dan Rekayasa Material. Erlangga, Jakarta, (2000).

[2]. Irzaman, H Frimato, M Kurniati. Sifat Optik Film Tipis Bahan Ferroelektrik

BaTIO3 yang Didadah Tantalum

(BTT).. Prosiding Seminar Nasional Keramik V, ISSN : 1693.7163.146157, (2006).

[3]. A. Supriyanto, Suparmi, J.D Malago,

Irzaman, T. Sumardi, M Hikam, I.

Usman, A.Supu. 2004. Optical

Properties of Galium Oxide and

Tantalum Oxide Doped BaTiO3 Thin

Film. Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2004. Serpong.

[4]. A. Maddu, Pedoman Praktikum

Eksperimen Fisika II. Laboratorium Fisika Lanjut, Departemen Fisika FMIPA Institut Pertanian Bogor, (2006).

[5]. H. Ramly, Sifat Elektrik Bahan. http

://institut.fs.utm.mv/ ~ ramli/,2002.

[6]. http:// www.kimia- unsur-

non-logam.com.

[7]. Tanjuang F. Perkembangan Struktur

dan Material Film Tipis Penyusun Silikon.

http://inf.untag-sby.ac.id/pustaka/public_html/Camp uran/PDF/fitr-cmos.pdf, 2003. [8]. http://www.pdffactory.com.

[9]. A. Marwan. Studi Efek Fotovoltaik

Bahan Ba0,5Sr0,5TiO3 yang Didadah Galium (BGST) di Atas Substrat Si (100) Tipe-n. Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, (2007).

[10] R Thomas, R Gregory, B Baumert.

(27)

18

[11]. Thomas A, Bernacky, Ivoyle. Barium

Stronsium Titanate Thin-film Multi layer Capacitor. Technical Paper, 2004.

[12]. N.V Girindharan. Structural,

Morphological and Electrical Studies on Barium Stronsium Titanate Films by Sol-Gel Technique. Crystal Research Technology. Vol 36(1) page 65-72 (2001).

[13]. H. Darmasetiawan. Optimasi

Penumbuhan Film Tipis BaTiO3 yang

didadah Indium dan Vanadium (BIVT) serta Penerapannya sebagai Sel Surya, Institut Pertanian Bogor, (2005).

[14]. T. Sumardi. 2004. Penumbuhan Fiml

Tipis Bahan PbZrxTi1-xO3 Doping

In2O3 (PIZT) Dengan Metode

Chemical Solution Deposition

(CSD). Skripsi Sarjana. Departemen Fisika. Fakultas MIPA. Institut Pertanian Bogor, Bogor.

[15]. http: //Spinteory .pdf.

[16]. D.P. Birnie. Common Defects Found

When Spin Coating, 2000.

[17]. http://www1.eere.energy.gov/solar/

printable_versions/photoel ectric effect.html.

[18]. A. Beiser. Konsep Fisika Modern,

Erlangga, (1992).

[19]. H. Frimasto. Sifat Optik Film Tipis

Bahan Ferroelektrik BaTiO3 Yang

Didadah Tantalum (BTT). Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, (2006).

[20]. P.A.Tipler. FISIKA Untuk Sains dan

Teknik. Erlangga, Jakarta, 2001.

[22]. Handayani A., Sumaryo, Sitompul A.

2007. Pengamatan Struktur Mikro dengan Mikroskop Optik dan Scanning Electrón Microscope (SEM-EDAX). Pusat Pendidikan dan Pelatihan Badan Tenaga Nuklir Nasional. Serpong.

[23]. Sze,S.M. Physics of Semiconductor

Devices. 2nd_{edn. John Wiley and Sons,} Singapore, (1981).

[24]. Irzaman, Y.Darvina, A Fuad, P.Arifin, M.Budiman and M Barmawi. Physical

and Pyroelectric properties of

Tantalum-oxide doped lead Zirconium titanate

[Pb0,995O(Zr0,525Ti0,465Ta0,010)O3]

Thin film and Their Application for IR Sensor,phys,stat,sol (a) 199, no.3. 416-424,9 (2003).

[25]. K.Uchino. Ferroelectric Devices.

Marcel Dekker.Inc.USA.[2000].

[26] . A. C. W. Utami. Studi Efek Fotovoltaik

Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3yang Didadah Tantalum (BSTT) di Atas Substrat Si (100) Tipe-p. Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, (2007).

[27]. Sutrisno. ELEKTRONIKA Teori dan

Penerapannya. Penerbit ITB, Bandung, 1986.

[28]. D.L Alfiah. Pengaruh Tingkat Upah

Terhadap Prestasi Kerja pada PT BRI Unit Cileunyi Bandung. Skripsi, Jurusan

Manajemen. STIE Gema Widya

(28)

20 Lampiran 1. Diagram alir Penelitian.

Barium Asetat

[Ba(CH

3

COO)

2

,

99%]

Stronsium

asetat

[Sr(CH

3

COO)

2

,

99%]

Titanium

isopropoksida

[Ti(C

12

O

4

H

28

),

99.99%]

2-metoksietanol

[H

3

COOCH

2

CH

2

OH

, 99%]

Dicampu

r

BST

BST + bahan pendadah galium 5%

Masing-masing dikocok selama 1

jam

Dipanaskan

Disaring

Precursor BST

Precursor BGST 5%

Spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik diatas substrat Si(100) yang

berukuran 1 cm x 1 cm sebanyak 1 lapis.

Annealing pada suhu 850

0

C, 900

0

C, dan 950

0

C selama 15 jam pada udara

atmosfer di furnace model Vulcan 3-310

Film tipis BST

Film tipis BGST 5%

Analisis dan Karakterisasi

(Efek Fotovoltaik, Dielektrik, Pyroelektrik, SEM dan EDS.)

Berhenti

Jika Berhasil

(29)

21 Lampiran 2. Data lengkap hasil perhitungankonstanta dielektrik

Film tipis BST pada suhu anneling 850

o

C

Data yang diketahui :

Time/Div = 25 s

Volt/Div= 10 Volt

Peak to Peak = 20,8 Volt

20,8 x 0,6 = 12,48

Plotkan nilai 12,48 ke dalam gambar. Akan didapat nilai t = 3,1

t = 3,1 s

d (tebal film) = 0,679 m (dari hasil sem)

(30)

22 Film tipis BST pada suhu anneling 900

o

C

Time/Div = 25 s

Volt/Div= 1 Volt

3,16 x 0,6 = 1,896

t = 4,8 s

(31)

23 Film tipis BST pada suhu anneling 950

o

C

Time/Div = 25 s

Volt/Div= 1 Volt

3,28 x 0,6 = 1,968

t = 2,8 s

(32)

24 Film tipis BGST pada suhu anneling 850

o

C

Time/Div = 25 s

Volt/Div= 10 Volt

24,8 x 0,6 = 14,88

t = 2,7 s

(33)

25

Film tipis BGST pada suhu anneling 900 o_C

Time/Div = 25 s

Volt/Div= 1Volt

3,76 x 0,6 = 2,25

t = 2,4 s

(34)

26 5% 950

Time/Div = 25 s

Volt/Div= 1Volt

3,29 x 0,6 = 1,974

t = 1,8 s

(35)

27 Lampiran 3 Data Lengkap hasil karakterisasi piroelektrik.

Film tipis BST pada suhu anneling 850

o

C

T(oC) V (mV) I (mA) dT/dt (oC/s) dI/A (mA/m2) 30 1,96 1,96E-06 0 0 40 1,97 1,97E-06 1 1,00E-04 50 1,98 1,98E-06 2 2,00E-04 60 1,99 1,99E-06 3 3,00E-04 70 1,99 1,99E-06 4 3,00E-04 80 2,01 2,01E-06 5 5,00E-04