SIFAT-SIFAT OPTIK DAN LISTRIK BAHAN SEMIKONDUKTOR SnS LAPISAN TIPIS HASIL PREPARASI DENGAN TEKNIK VAKUM EVAPORASI UNTUK
APLIKASI SEL SURYA
Ganesha Antarnusa.1, Tjipto Sujitno2, Ariswan3 1Mahasiswa Program Studi Fisika FMIPA UNY
2,Dosen Program Studi Fisika FMIPA UNY Phone 08562710318
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari dan memahami proses preparasi bahan semikonduktor lapisan tipis Tin Sulfide (SnS) menggunakan metode evaporasi, mengetahui informasi sifat optik dan listrik lapisan tipisTin Sulfide (SnS), mengetahui pengaruh variasi jarak penyangga atau spacer terhadap transmitansi dan absorbansi lapisan tipis lapisan tipis Tin Sulfide (SnS) yang dihasilkan dan mengetahui nilai energi gap yang dihasilkan lapisan tipis Tin Sulfide (SnS)
Sampel berupa lapisan tipis Tin Sulfide (SnS) hasil preparasi menggunakan metode evaporasi pada tekanan 2 x 10-5 mbar dengan variasi tiang penyangga sebesar 10 cm dan 3 x 10-5 mbar dengan variasi tiang penyangga sebesar 15 cm. Proses pendeposisian lapisan tipis SnS dilakukan dengan memberikan jarak (spacer) antara substrat dengan sumber. Kedekatan jarak dalam metode evaporasi ini akan mempengaruhi seberapa banyak bahan sumber akan terdeposisi pada substrat.Proses karakterisasi dilakukan menggunakan FPP dan UV-Vis.
Hasil karakterisasi Spektroskopi UV-Vis menunjukkan bahwa lapisan tipis Tin Sulfide (SnS)memiliki energi gap 1,48eV padajarak spacer 10 cm dan 15 cm.lapisan tipis Tin Sulfide (SnS) hasil preparasi dengan variasi jarak spacer 10 cm mempunyai kualitas yang lebih baik dibandingkan lapisan tipis dengan variasi jarak spacer 15 cm ditinjau dari resistansinya. Hasil karakterisasi UV-Vis menunjukkan bahwa semakin besar panjang gelombang maka semakin besar transmitansinya dan semakin besar panjang gelombang maka semakin kecil absorbansinya.
Kata kunci : sel surya, jarak, spacer, karakteristik bahan, semikonduktor SnS, metode evaporasi.
OPTICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF SEMICONDUCTOR MATERIALS SnSTHIN FILMS WITH EVAPORATION TECHNIQUESFOR SOLAR CELL APLICATION
ABSTRACT
This research aims to study and understand the process of preparation semiconductor material Tin Sulfide (SnS) thin films using the evaporation method, knowing the optical and electrical information Tin Sulfide (SnS), determine the effect of variations in the distance buffer or spacer to the transmitance and absorbance of thin films of semiconductor material Tin Sulfide (SnS) produced and kwowing results gap energy of semiconductor material Tin Sulfide (SnS) produced.
Samples of Tin Sulfide (SnS) thin films preparation results using evaporation method at a pressure of 2 x 10-5mbar with spacer variation by 10 cm and 3 x 10-5mbar with spacer variation by
15 cm. Deposited process of SnS thin films is done by giving the distance (spacer) between the substrate by source. Theproximity oftheevaporationmethodwillaffecthowmuchmaterialwill bedepositedon the substratesource. Characterizationprocess isperformedusingFFP and UV-Vis.
UV-Vis spectroscopy characterization results showed that the Tin Sulfide (SnS) thin films produced gap energy 1,48 eV spacer distance of 10 cm and 15 cm. Tin Sulfide (SnS) thin films preparation results with variations spacer distance of 10 cm has a better quality than thin films with spacer distance of 15 cm variation in terms of resistivity values. UV-Vis characterization results showed that the greater the wavelength, the greater the transmitance and the greater the wavelangth, the smaller the absorbance.
Key words: solar celll, distance, spacer, material characteristics, semiconductor SnS, evaporation method.
PENDAHULUAN
Masalah energi akan selalu menjadi topik persoalan yang menarik. Seiring dengan tingkat konsumsi energi yang terus bertambah dari tahun ke tahun, meningkatnya populasi manusia, industrialisasi besar-besaran, pemenuhan kebutuhan listrik, panas serta bahan bakar menyebabkan kebutuhan akan energi terus meningkat. Namun hal tersebut tidak diimbangi dengan persediaan minyak bumi, gas dan batu bara yang selama ini merupakan penyedia utama kebutuhan energi di dunia. Menipisnya cadangan minyak bumi, gas dan batu bara tersebut juga berpengaruh besar pada perekonomian, karena selama ini minyak bumi, gas dan batu bara merupakan komoditi ekspor yang
dominan untuk pendapatan negara. Pencarian sumber-sumber energi alternatif dalam bentuk energi terbarukan mengarah pada energi angin, energi air, energi nuklir, energi surya dan lain-lain.
SnS merupakan bahan hasil paduan antara Sn dan S yang memiliki koefisien penyerapan lebih tinggi daripada SnSO2. Bahan SnS memiliki rentang energi gap 1,3-1,83 eV, resistivitas listrik 0,28 m. Dari informasi tersebut, diharapkan akan membentuk bahan baru yang memiliki kua-litas sifat listrik dan optik lebih baik diban-dingkan dengan bahan-bahan yang sudah ada.
Pada penelitian ini dilakukan pembuatan lapisan tipis SnS yang dideposisikan pada substrat kaca dengan
teknik vakum evaporasi. Kemudian lapisan tipis SnS dikarakterisasi sifat listrik dan optiknya. Dalam pembuatan lapisan tipis SnS divariasi jarak sumber agar diperoleh sifat listrik dan optik lapisan tipis SnS.
Untuk mengetahui sifat listrik pada lapisan tipis ini diamati dengan meng- gunakan Four Point Probe (FPP) dan sifat optik dapat diamati dengan menggunakan UV-Vis.
KAJIAN PUSTAKA Bahan Semikonduktor SnS
Stannum Sulfide (SnS) merupakan senyawa
kimia. Hal ini dapatdibentukdengan mereaksikanunsur-unsur(timah dan sulfur) di atas 350ºC. SnS memiliki titik lebur 882°C. SnS adalah material semikonduktor tipe p yang memiliki struktur kristal ortorhombic dan energi gap-nya 1,3 - 1,83 eV.
Karakterisasi Lapisan Tipis
Dalam penelitian ini, karakterisasi lapisan tipis dilakukan dengan dua (2)
teknik, yaitu Four Point Probe (FPP) dan UV-Vis spektroskopi.
METODE PENELITIAN
Preparasi bahan dilakukan dengan teknik evaporasi.Evaporasi adalah sebuah metode pembuatan lapisan tipis dengan penguapan bahan dalam ruang hampa.Pada sistem evaporasi tedapat sumber pemanas untuk mengevaporasi bahan yang diingin-kan.Pemanas tersebut dilewatkan oleh arus yang cukup tinggi untuk mendapatkan suhu yang tekanan uapnya cukup untuk mendesak keluar uap-uap dari bahan sumber.Bahan sumber yang telah dieva-porasi kemudian bergerak meninggalkan sumber panas dalam bentuk gas. Kemudian terjadi proses pelapisandengan proses kon-densasi pada setiap permukaan substrat yang ditimpa atom-atom.
Prosedur
Peneliti mempersiapkan bubuk SnS dan susbstrat. Kemudian bahan yang berupa bubuk SnS tersebut ditempatkan pada cawan.Bubuk SnS kemudian dideposisi
dengan teknik evaporasi.Evaporasi dilakukan pada tekanan 2x10-5 mBar dan 3x10-5 mBar dan susbstrat tersebut dipanaskan pada suhu 6000C.
HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat listrik lapisan tipis SnS
Hasil pengukuran karakterisasi listrik untuk sampel A yang menggunakan
spacer 10 cm dan B yang menggunakan spacer 15 cm ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4.Hasil pengukuran karakteristik listrik lapisan tipis SnS.
Nama Sampel Pengukuran Resistansi ) 10 ( 5 Tipe A 1 0,945 P 2 0,912 N 3 0,908 N 4 0,990 P Nama Sampel Pengukuran Resistansi ) 10 ( 5 Tipe B 1 0,989 P 2 0,949 P 3 1,054 P 4 0,995 P
Nilai resistivitas untuk sampel A yang menggunakan spacer 10 cm, diperoleh 0,945 x 5
10 , 0,912 x 5
10 , 0,908 x
5
10 dan 0,990 x 105. Apabila diambil nilai rata-rata untuk nilai resistivitas adalah sebesar 0,938 x 5
10 .
Nilai resistivitas untuk sampel B yang menggunakan spacer 15 cm, diperoleh 0,989 x 5
10 , 0,949 x 5
10 , 1, 054 x
5
10 dan 0,995 x 105. Apabila diambil nilai rata-rata untuk nilai resistivitas adalah sebesar 0,996 x 105.
Sifat optik lapisan tipis SnS
Grafik hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi lapisan tipis SnS
disajikan pada gambar 13 dan 14 , sedangkan grafik hubungan antara panjang gelombang dan transmitansi lapisan tipis SnS disajikan pada gambar 14 da 15.
450 500 550 600 650 700 750 800 850 1,90 1,92 1,94 1,96 1,98 2,00 2,02 2,04 2,06 sampel A ab so rba ns i panjang gelombang (nm)
Gambar 13. Grafik hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi sampel A pada jarak spacer 10 cm.
Gambar 13 menunjukkan hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi lapisan tipis bahan semikonduktor SnS sampel A untuk jarak spacer 10 cm. Berdasarkan grafik tersebut diperoleh iformasi karakter absorbansi optik untuk sampel A pada panjang gelombang (450-580 nm) mengalami penurunan karena bahan semikoduktor SnS ini sesuai dengan panjang gelombang sinar tampak yaitu 280 nm sampai 750 nm. Sedangkan pada panjang gelombang (550-700 nm)
mengalami kenaikkan dan penurunan yang tidak linier. Hal ini disebabkan karena bahan semikonduktor SnS sampel A pada jarak spacer 10 tidak sesuai dengan panjang gelombang tersebut sehingga tidak memberi respon. Untuk sampel A nilai absorbansi maksimumnya yaitu pada panjang gelombang 450 nm sebesar 2,04, sedangkan nilai absorbansi minimumnya terletak pada panjang gelombang (550-800) nm sebesar 1,92. 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 6 7 8 9 10 11 12 sampel B ab s or ba ns i panjang gelombang (nm)
Gambar 14.Grafik hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi sampel B pada jarak spacer 15 cm.
Gambar 14 menunjukkan grafik hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi optik lapisan tipis bahan semikonduktor SnS untuk sampel B yang
menggunakan spacer 15 cm. Berdasarkan grafik tersebut diperoleh informasi bahwa karakter absorbansi pada panjang gelombang (450-800 nm) mengalami penurunan. Untuk sampel B dengan jarak
spacer 15 nilai absorbansi maksimumnya
yaitu pada panjang gelombang 450 nm sebesar 11,5, sedangkan nilai absorbansi minimumnya terletak pada panjang gelombang (550-800) nm sebesar 6,7. 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0,128 0,130 0,132 0,134 0,136 0,138 0,140 0,142 0,144 0,146 0,148 sampel A transm it ansi panjang gelombang
Gambar 15. Grafik hubungan antara panjang gelombang dan transmitansi sampel A pada jarak spacer 10 cm.
Gambar 15 menunjukkan spektrum transmitansi optik lapisan tipis bahan semikonduktor SnS. Hasil yang diperoleh adalah pada panjang gelombang 450 nm nilai transmitansinya mulai meningkat, dikarenakan pada panjang gelombang
tersebut spektrum cahaya lebih sedikit yang diserap oleh bahan daripada yang diteruskan. Sedangkan pada panjang gelombang (550-700) nm mengalami penurunan dan kenaikan yang tidak linier yang disebabkan karena pada panjang gelombang tersebut bahan semikonduktur lapisan tipis SnS pada jarak spacer 10 cm tidak memberi respon.
450 500 550 600 650 700 750 800 850 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 sampel B transm it ansi panjang gelombang (nm)
Gambar 16.Grafik hubungan antara panjang gelombang dan transmitansi sampel B pada jarak spacer 15 cm.
Dari Gambar 16 hasil penelitian ditunjukkan bahwa semakin besar panjang gelombang cahayanya, transmitansinya juga semakin besar. Transmisi terjadi mulai panjang gelombang 450 nm sampai 650 nm yang 380 nm sampai 750 nm yang
merupakan daerah panjang gelombang tampak yaitu 380 nm sampai 750 nm.
Untuk menentukan besarnya celah energi bahan peneliti menggunakan metode
touch plot dengan bantuan software Ms.
Origin 6.1. Berikut disajikan plot untuk menentukan lebar celah optik atau energi gap. 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 1,50E+016 2,00E+016 2,50E+016 3,00E+016 3,50E+016 4,00E+016 4,50E+016 5,00E+016 sampel A ( h ) 2(eVm -1) h(eV)
Gambar 17. Energi foton SnS pada sampel A dengan jarak spacer 10 cm.
1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 2,00E+017 4,00E+017 6,00E+017 8,00E+017 1,00E+018 1,20E+018 1,40E+018 sampel B ( h ) 2(eVm -1) h(eV)
Gambar 18.Energi foton SnS pada sampel B dengan jarak spacer 15 cm.
Berdasarkan hasil fitting menggunakan Ms. Origin dapat diketahui besarnya energi gap pada sampel A yang menggunakan spacer 10 cm adalah 1,48 eV.
Seperi halnya pada sampel A, setelah dilakukan analisis matematik besarnya energi gap untuk sampel B yang menggunakan spacer 15 cm diperoleh sebesar 1,48 3V. Hasil yang diperoleh sama dengan sampel A. Hal ini berarti faktor yang mempengaruhi besarnya energi gap bukanlah jarak spacer melainkan karakteristik dari bahan itu sendiri.
KESIMPULAN
1. Lapisan tipis SnS sampel A pada jarak
spacer 10 cm yang terbentuk
menghasilkan resistansi 9,38104 dan sampel B pada jarak spacer 15 cm yang terbentuk menghasilkan resistansi,
4 10 96 , 9
2. Lapisan tipis sampel A pada jarak
spacer 10 cm yang terbentuk
menghasilkan nilai transmitansi maksimum pada panjang gelombang
800 nm, kurang dari panjang gelombang tersebut nilai transmitansi optik mengalami penurunan dan sampel B pada jarak spacer 15 cm yang terbentuk menghasilkan nilai transmitansi maksimum pada panjang gelombang 800 nm, kurang dari panjang gelombang tersebut nilai transmitansi optik mengalami penurunan Sedangkan nilai absorbansi berbanding terbalik dengan nilai transmitansi.
3. Pengaruh jarak penyangga (spacer) terhadap nilai transmitansi yaitu semakin jauh jarak spacer, nilai transmitansinya semakin kecil sedangkan nilai absorbansi semakin jauh jarak spacer, nilai absorbansi semakin besar.
4. Nilai absorbansi maksimum pada jarak sspacer 10 cm untuk sampel A dan pada jarak sspacer 15 cm untuk sampel B berada pada panjang gelombang 450 nm.
5. Lapisan tipis SnS yang terbentuk memiliki energi gap 1,48 eV.
DAFTAR PUSTAKA
Ariswan. (2008). Hand Out Semikonduktor. Universitas Negeri Yogyakarta: FMIPA UNY.
Ariswan & Na Peng Bo, (2011), Teknologi
Vakum, Handout Kuliah, Tidak
diterbitkan, Yogyakarta. Universitas Negeri Yogyakarta.
Beiser, A. (1992).Concepts of Modern
Physics, Second Edition.Tokyo:
McGraw-Hill Kogakusha, LTD.
Mukherjee.et al. (2010). Lead Salt Thin
Film Semiconductors for
Microelectronic Applications.
Evanston: Electrical Engineering and Computer Science, Northwestern University.
Smallman, R.E & Bishop, R.J. (2000).Modern Physical Metallurgy
process, applications, Sixth Edition.
New York: Butterworth-Heinemann.
Hass, Georg. (1963). Physics Of Thin Film
vol.1. New York : Academic Press.
Reka Rio S. dan Masamori lida.(1982).
Fisika dan Teknologi Fisika. PT
Pradnya Paramita: Jakarta
Artikel ini telah disetujui untuk diterbitkan oleh Pembimbing pada tanggal
………
Artikel ini telah direview oleh Penguji Utama untuk diterbitkan pada tanggal
……….
Drs. B. A. Tjipto Sujitno, M.T. A.P.U NIP. 19541229 199103 1 005
Dr. Yosaphat Sumardi NIP. 19510516 197603 1 001
