UNIVERSITAS INDONESIA

SINTESIS NANOSTRUKTUR SENG OKSIDA (ZnO)

BERKETERATURAN TINGGI

DENGAN METODE KIMIAWI BASAH

UNTUK APLIKASI SEL SURYA

TERSENSITASI ZAT PEWARNA

DISERTASI

Amalia Sholehah 1106044762

Fakultas Teknik

Program Studi Teknik Metalurgi dan Material Depok

SINTESIS NANOSTRUKTUR SENG OKSIDA (ZnO)

BERKETERATURAN TINGGI DENGAN METODE

KIMIAWI BASAH UNTUK APLIKASI SEL SURYA

TERSENSITASI ZAT PEWARNA

DISERTASI

Diajukan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Doktor

Amalia Sholehah 1106044762

Fakultas Teknik

Program Studi Teknik Metalurgi dan Material Depok

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala, karena atas berkah dan rahmat-Nya, saya dapat menyelesaikan disertasi ini. Penulisan disertasi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Doktor pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Saya menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan disertasi ini, sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan disertasi ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

(1) Prof. Dr. Ir. Akhmad Herman Yuwono, M.Phil.Eng, selaku promotor yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan disertasi ini;

(2) Dr. Ir. Sri Harjanto dan Prof. Dr. Ir. Nji Raden Poespawati, M.T., selaku ko-promotor yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan disertasi ini;

(3) Prof. Dr.-Ing. Ir. Bambang Suharno, Drs. Nofrijon Sofyan, M.Sc., Ph.D., Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si., dan Brian Yuliarto, ST., M.Eng., Ph.D., selaku ketua dan anggota tim penguji yang telah memberikan masukan dan koreksi yang sangat berharga,

(4) Jurusan Teknik Metalurgi dan Material Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, yang telah banyak membantu dalam usaha memperoleh data yang saya perlukan;

Akhir kata, saya berharap Allah Subhanahu Wa Ta’ala berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga disertasi ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu.

Nama : Amalia Sholehah

Program Studi : Teknik Metalurgi dan Material

Judul : Sintesis Nanostruktur Seng Oksida (ZnO) Berketeraturan Tinggi dengan Metode Kimiawi Basah untuk Aplikasi Sel Surya Tersensitasi Zat Pewarna

Seng oksida (ZnO) merupakan material semikonduktor dengan aplikasi yang sangat luas dalam berbagai bidang seperti elektronik, optoelektronik, fotokatalisis, hingga biomedis. Salah satu aplikasi yang marak diteliti saat ini adalah penggunaan ZnO sebagai lapisan anoda untuk sel surya tersensitasi zat pewarna (dye-sensitized solar cell, DSSC). Dalam pembuatan sel surya, kondisi morfologi natural lapisan semikonduktor oksida sangat berpengaruh pada interaksi penyerapan cahaya. Bentuk morfologi yang baik adalah struktur

one-dimensional (1D) yang tersusun secara paralel dan melekat secara vertikal pada

substrat kaca konduktif. Akan tetapi, struktur ini tidak mudah didapat pada sintesis dengan metode kimiawi basah. Pertumbuhan nanostruktur dengan arah yang tidak terorientasi akan mengakibatkan rendahnya kristalinitas dan energi celah pita (Eg) yang tinggi. Hal ini dapat menyebabkan rendahnya kemampuan

penyerapan zat pewarna (dye) yang memberikan hasil DSSC dengan efisiensi rendah.

Pada penelitian ini, dilakukan sintesis nanostruktur ZnO di atas substrat kaca konduktif dengan bahan dasar seng nitrat tetrahidrat (Zn(NO3)2.4H2O, Zn-nitrat) dan heksametilentetraamin (C6H12N4, HMTA). Untuk meningkatkan kestabilan lapisan ZnO di atas substrat, dilakukan penempelan lapisan bibit terlebih dahulu dengan menggunakan metode spin-coating. Lapisan bibit ini dibuat dengan menggunakan larutan yang disintesis pada suhu 0oC. Setelah proses

spin-coating, lapisan nanostruktur ZnO ditumbuhkan dengan menggunakan

Hasil penelitian menunjukkan bahwa perlakuan pasca-hidrotermal, menhasilkan lapisan nanostruktur ZnO dengan kristalinitas yang lebih tinggi, ditandai dengan intensitas puncak difraksi yang lebih tajam dibandingkan dengan ZnO hasil as-synthesized. Naiknya kristalinitas tersebut selanjutnya memicu penurunan energi celah pita (Eg) sehingga lapisan nanostruktur ZnO dapat

menyerap cahaya pada panjang gelombang yang lebih besar. Selain itu, morfologi yang yang terlihat dari hasil SEM juga menunjukkan perbaikan setelah proses pasca-hidrotermal. Hal ini terlihat orientasi nanostruktur ZnO yang semula tidak beraturan menjadi tegak vertikal. Dalam penelitian ini, diketahui bahwa perbedaan kondisi pasca-hidrotermal menghasilkan pertumbuhan nanostruktur dengan bentuk yang berbeda. Pada variasi pertama, didapat hasil sintesis berupa nanorods ZnO, sedangkan variasi kedua menghasilkan nanorods dan nanotubes ZnO.

Nanostruktur ZnO di atas substrat kaca konduktif yang telah dihasilkan selanjutnya digunakan sebagai lapisan anoda pada DSSC. Pada penelitian ini, terlihat bahwa perbedaan variasi proses pasca-hidrotermal mempengaruhi kemampuan penyerapan warna (dye loading). Anoda yang dihasilkan dari proses pasca-hidrotermal yang menggunakan penambahan gas N2 mampu menyerap za pewarna lebih banyak. Hal ini diduga disebabkan oleh adanya struktur nanotubes yang memiliki pori/rongga. Namun demikian, efisiensi tertinggi diraih oleh anoda setelah perlakuan pasca-hidrotermal tanpa gas N2, yaitu sebesar 0,12%. Nilai ini bersesuaian dengan ukuran kristalit yang paling stabil dan energi celah pita paling rendah yang didapat dari perhitungan. Pada penelitian, diameter kristalit dan energi celah pita pada sampel dengan efisiensi tertinggi adalah sebesar ~18 nm dan 3,17 eV.

Name : Amalia Sholehah

Study Program : Metallurgical and Material Engineering

Title : Synthesis of Highly Ordered Zinc Oxide (ZnO) Nanostructure via Wet Chemical Method for Dye-Sensitized Solar Cell

Zinc oxide (ZnO) is a semiconductor material with a very broad application in many fields, such as electronics, optoelectronic, photocatalyst, and biomedicine. One application that widely examined nowadays is its use as an anode layer for dye-sensitized solar cells (DSSC). In solar cells fabrication, the nature of morphological conditions of the oxide semiconductor layer greatly affect the interaction of light absorption. Good morphology is a one-dimensional structure (1D) arranged in parallel and attached vertically on a conductive glass substrate. However, this structure is not easily obtained in the synthesis via wet chemical method. Nanostructures with non-oriented growth will result in lower crystallinity and higher band gap energy (Eg) is high. This can lead to low dye absorption that results in DSSC with low efficiency.

In this study, synthesis of ZnO nanostructures on a conductive glass substrate was carried out using zinc nitrate tetrahydrate (Zn(NO3)2.4H2O, Zn-nitrate) and heksametilentetraamin (C6H12N4, HMTA) at 0oC. To improve the stability of ZnO layer on the substrate, seeding layers were attached using spin-coating method. After the spin-spin-coating process, the seeding layers were grown using chemical bath deposition (CBD). To improve the crystallinity of nanostructured ZnO, post-hydrothermal process was performed afterward. This process was divided into two variations. In the first variation, the reaction is carried out in a hydrothermal reactor at 150oC for 3 hours. While in the second variation, the reaction is carried out in a closed reactor with the addition of 1 bar nitrogen gas (N2) at 100° C for 1 hour.

research, the difference in the post-hydrothermal conditions generated different shapes of ZnO nanostructures. The first variation resulted ZnO nanorods, while the second variation produced ZnO nanorods and nanotubes.

In this study, it appeared that post-hydrothermal process variations affected the dye loading capacity of the ZnO nanostructure layers. When used as anodes in DSSC, the layer obtained from post-hydrothermal process using N2 gas additions showed a higher dye absorption. The presence of nanotubes structure was assumed to gave this contribution, since this structure had pores / cavities that could absorbed more dyes. However, the highest efficiency achieved by the anode after post-hydrothermal treatment without N2 gas, with the value of 0.12%. This corresponded with the most stable crystallites size and lowest band gap energy obtained from the calculation. In the study, the crystallites size and the band gap energy of this sample were given as ~ 18 nm and 3.17 eV.

Keywords: ZnO nanostructures, seeding layer, CBD, post-hydrothermal, N2 gas,

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ii

HALAMAN PENGESAHAN iii

KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

v

Abstrak vi

Abstract viii

Daftar Isi x

Daftar Gambar xii

Daftar Tabel xvi

Bab I. Pendahuluan 1

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Rumusan Masalah 3

1.3. Tujuan Penelitian 4

1.4. Sistematika Penulisan 6

Bab II. Studi Pustaka 8

2.1. Seng Oksida (Zinc Oxide, ZnO) 8

2.1.1. Struktur Kristal ZnO 9

2.1.2. Sifat Mekanik ZnO 11

2.1.3. Sifat Optis dan Elektrik ZnO 12

2.2. Nanostruktur ZnO 13

2.3. Nanorods ZnO 16

2.4. Sintesis Nanostruktur ZnO 17

2.4.1. Proses Fasa Uap 17

2.4.2. Proses Fasa Larutan 20

2.5. Sintesis Nanorods ZnO dengan Proses Kimiawi Basah 21 2.6. Aplikasi Nanostruktur ZnO untuk Sel Surya 24 2.6.1. Sel Surya Tersensitasi Zat Pewarna (Dye-Sensitized

Solar Cell, DSSC)

25

2.6.1.1. Two-Dimensional (2D) DSSC 25

2.7. State of The Art Penelitian 26

2.8. Hipotesis Penelitian 28

Bab III. Metode Penelitian 29

3.1. Tinjauan Umum 29

3.2. Sintesis Nanostruktur ZnO 29

3.2.1. Pembuatan Lapisan Bibit ZnO 29 3.2.2. Pertumbuhan Nanostruktur ZnO 31 3.2.3. Proses Pasca-Hidrotermal 31 3.3. Fabrikasi Sel Surya Tersensitasi Zat Pewarna (DSSC) 33

3.4. Teknik Karakterisasi 33

3.4.1. Analisis Scanning Electron Microscopy (SEM) 33 3.4.2. Analisis Atomic Force Microscopy 34 3.4.3. Analisis X-Ray Diffraction (XRD) 35 3.4.3.1. Analisis Ukuran Kristalit dengan Metode

Scherrer

35

(DRS)

3.4.4.1. Penentuan Energi Celah Pita (Band gap energy, Eg)

41

a.Persamaan Tauc 41 b. Teori Absorption Fitting Spectrum (AFS) 43 3.4.5. Efisiensi Sel Surya 44 Bab IV. Nanorods ZnO Berketeraturan Tinggi Hasil Sintesis Chemical

Deposition Bath (CBD) dan Pasca-Hidrotermal

46

4.1. Pendahuluan 46

4.2. Tujuan Penelitian 46

4.3. Hasil dan Pembahasan 47

4.3.1. Pengaruh Basa Pembentuk terhadap Struktur Nanorods ZnO

47

4.3.2. Pengaruh Suhu Reaksi terhadap Struktur ZnO 50 4.3.3. Pengaruh Suhu Proses Pasca-Hidrotermal terhadap

Ukuran Kristalit ZnO

52

4.3.4. Pengaruh waktu reaksi terhadap nanostruktur ZnO 57 4.3.5. Pengaruh Waktu Proses Pasca-Hidrotermal terhadap

Nanostruktur ZnO

62

4.4. Kesimpulan 68

Bab V. Pengaruh Lapisan Bibit terhadap Pertumbuhan Nanorods ZnO yang Disintesis dengan Metode Chemical Deposition Bath

69

5.1. Pendahuluan 69

5.2. Tujuan Penelitian 70

5.3. Hasil dan Pembahasan 71

5.3.1. Pengaruh Jumlah Lapisan dan Suhu Anil terhadap Nanostruktur ZnO

71

5.3.2. Proses Penumbuhan Lapisan Nanorods ZnO melalui Metode Chemical Bath Deposition (CBD)

77

5.4. Kesimpulan 83

Bab VI. Efek Variasi Perlakuan Hidrotermal terhadap Lapisan

Nanostruktur ZnO untuk Aplikasi Dye-Sensitized Solar Cell 84

6.1. Pendahuluan 84

6.2. Tujuan Penelitian 85

6.3. Hasil dan Pembahasan 86

6.3.1. Morfologi dan Ketebalan Lapisan Nanostruktur ZnO 86 6.3.2. Struktur Kristal Lapisan Nanostruktur ZnO 90 6.3.3. Sifat Optik Lapisan Nanostruktur ZnO 96 6.3.4. Aplikasi Nanostruktur ZnO sebagai Lapisan Anoda

pada DSSC

98

6.4. Kesimpulan 100

Bab VII. Kesimpulan dan Saran Penelitian 101

7.1. Kesimpulan 101

7.2. Saran 102

Gambar 2.2. Struktur kristal wurtzite ZnO 10 Gambar 2.3. Skema efek piezoelektrik pada kation dan anion yang

tersusun secara tetrahedral

10

Gambar 2.4. Kurva energi sebagai fungsi momentum kristal pada a)

direct dan b) indirect semiconductor

12

Gambar 2.5. Berbagai bentuk nanostruktur ZnO hasil sintesis 15

Gambar 2.6. Efek ballistic transport 16

Gambar 2.7 Beberapa skema geometris pada proses sintesis nanostruktur ZnO dengan metode CVD

18

Gambar 2.8. Skema proses sintesis nanostruktur ZnO dengan metode VLS

19

Gambar 2.9. Skema peralatan pada sistem hidrotermal 21

Gambar 2.10. Sel surya tipikal 24

Gambar 2.11. Prinsip kerja dan skema energi pada DSSC 25

Gambar 2.12. Skema 2D DSSC 26

Gambar 3.1. Gambaran umum penelitian 29

Gambar 3.2. Skema proses CBD 31

Gambar 3.3. Skema reaktor hidrotermal pada suhu 150oC selama 3 jam pada tekanan atmosfer (PHT-1)

32

Gambar 3.4. Skema reaktor hidrotermal pada suhu 100oC selama 1 jam pada tekanan gas N2 1 bar (PHT-2)

32

Gambar 3.5. Plot kurva Plot kurva βhkl cosθ terhadap sinθ pada metode Scherrer

36

Gambar 3.6. Plot kurva βhkl cosθ terhadap 4sinθ pada metode UDM 38 Gambar 3.7. Plot kurva βhkl cosθ terhadap 4sinθ/Ehkl pada metode

UDSM

39

Gambar 3.8. Plot kurva βhkl cosθ terhadap 4sinθ(2/Ehkl)1/2 _pada metode UDEDM

40

Gambar 3.9. Plot kurva Tauc untuk penentuan nilai Eg 42

Gambar 3.10. Kurva J-V untuk sel surya tipikal dengan filter AM 1,5 dalam kondisi gelap dan terang

45

Gambar 4.1. Foto SEM sampel nanorods ZnO hasil CBD pada temperatur pemanasan 90oC

49

Gambar 4.2. Struktur mikro ZnO hasil percobaan dengan variasi suhu pertumbuhan

51

Gambar 4.3. Struktur morfologi penampang atas nanorods ZnO 53 Gambar 4.4 Pola difraksi sinar-X untuk nanorods ZnO 54 Gambar 4.5. Spektrum absorbansi UV-Vis untuk nanorods ZnO 56 Gambar 4.6. Foto SEM nanorods ZnO hasil sintesis pada 90oC

selama: (a) 3 jam, (b) 4 jam, dan (c) 5 jam

57

Gambar 4.7. Foto SEM penampang melintang nanorods ZnO yang disintesis pada 90oC selama: (a) 3 jam, (b) 4 jam, dan (c) 5 jam

58

Gambar 4.8. Pola difraksi sinar-X nanorods ZnO yang disintesis pada 90oC selama: (a) 3 jam, (b) 4 jam, dan (c) 5 jam

59

perlakuan pasca-hidrotermal pada 150oC selama: (b) 3 jam, (c) 6 jam, serta (d) 9 jam

Gambar 4.11. Difraktogram sinar-X nanorods ZnO: (a) as-deposited pada 90oC selama 3 jam; dan setelah perlakuan pasca-hidrotermal pada 150o_{C selama: (b) 3, (c) 6, dan (d) 9} jam

65

Gambar 4.12. Spektrum absorbansi nanorods ZnO: (a) as-deposited pada 90oC selama 3 jam; dan setelah perlakuan pasca-hidrotermal pada 150oC selama: (b) 3, (c) 6, dan (d) 9 jam

66

Gambar 4.13. Plot kurva (αhν)2 terhadap hν untuk nanorods ZnO: (a) as-deposited pada 90o_{C selama 3 jam; dan setelah} perlakuan pasca-hidrotermal pada 150oC selama: (b) 3 jam, (c) 6 jam, dan (d) 9 jam

67

Gambar 5.1. Foto SEM penampang atas lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 100oC sebanyak a). 1 lapis (1A), b). 3 lapis (1B), dan c). 5 lapis (1C)

72

Gambar 5.2. Foto SEM penampang atas lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 200o_{C sebanyak a). 1 lapis (2A), b). 3} lapis (2B), dan c). 5 lapis (2C)

72

Gambar 5.3. Foto SEM penampang atas lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 300o_{C sebanyak a). 1 lapis (3A), b). 3} lapis (3B), dan c). 5 lapis (3C)

72

Gambar 5.4. Foto SEM penampang atas lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 400o_{C sebanyak a). 1 lapis (4A), b). 3} lapis (4B), dan c). 5 lapis (4C)

72

Gambar 5.5. Foto SEM penampang atas lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 500o_{C sebanyak a). 1 lapis (5A), b). 3} lapis (5B), dan c). 5 lapis (5C)

73

Gambar 5.6. Absorbans a). kaca ITO dan lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 100oC sebanyak b). 1 lapis (1A), c). 3 lapis (1B), dan d). 5 lapis (1C). Inzet : plot Tauc untuk lapisan bibit yang dianil pada suhu 100oC

74

Gambar 5.7. Absorbans a). kaca ITO dan lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 200o_{C sebanyak b). 1 (2A), c). 3 (2B),} dan d). 5 lapis (2C). Inzet : plot Tauc untuk lapisan bibit yang dianil pada suhu 200oC

75

Gambar 5.8. Absorbans a). kaca ITO dan lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 300oC sebanyak b). 1 lapis (3A), c). 3 lapis (3B), dan d). 5 lapis (3C). Inzet : plot Tauc untuk lapisan bibit yang dianil pada suhu 300oC

75

Gambar 5.9. Absorbans a). kaca ITO dan lapisan bibit ZnO yang dianil pada suhu 400oC sebanyak b). 1 lapis (4A), c). 3 lapis (4B), dan d). 5 lapis (4C). Inzet : plot Tauc untuk lapisan bibit yang dianil pada suhu 400o_C

lapisan bibit yang dianil pada suhu 500oC

Gambar 5.11. Distribusi diameter nanorods ZnO hasil sintesis via metode CBD (90oC, 3 jam) dengan lapisan bibit yang dianil pada suhu 200oC dengan jumlah lapisan a). 1 (2A) lapis, b). 3 (2B) lapis dan c). 5 lapis (2C); serta pada suhu 400oC dengan jumlah lapisan d). 1 (4A) lapis, e). 3 lapis (4B), dan f). 5 lapis (4C) lapis

78

Gambar 5.12. Foto penampang atas nanorods ZnO hasil sintesis via metode CBD (90oC, 3 jam) a). tanpa lapisan bibit; serta dengan lapisan bibit yang dianil pada suhu 200oC sebanyak b). 1 lapis (2A), c). 3 lapis (2B), dan d). 5 lapis (2C)

79

Gambar 5.13. Foto penampang atas nanorods ZnO hasil sintesis via metode CBD (90oC, 3 jam) a). tanpa lapisan bibit; serta dengan lapisan bibit yang dianil pada suhu 400oC sebanyak b). 1 lapis (4A), c). 3 lapis (4B) dan d). 5 lapis (4C)

79

Gambar 5.14. Difraktogram nanorods ZnO hasil sintesis via metode CBD (90o_{C, 3 jam) dengan lapisan bibit yang dianil} pada suhu 200oC dengan jumlah lapisan a). 1 lapis (2A), b). 3 lapis (2B) dan c). 5 lapis (2C); serta pada suhu 400o_{C dengan jumlah lapisan d). 1 lapis (4A), e). 3 lapis} (4B), dan f). 5 lapis (4C)

81

Gambar 5.15. Absorbans nanorods ZnO hasil sintesis via metode CBD (90o_{C, 3 jam) a). tanpa lapisan bibit; serta dengan} lapisan bibit yang dianil pada 200oC dengan jumlah lapisan b).1 lapis (2A), c).3 lapis (2B) dan d). 5 lapis (2C)

82

Gambar 5.16. Absorbans nanorods ZnO hasil sintesis via metode CBD (90oC, 3 jam) a). tanpa lapisan bibit dan dengan lapisan bibit yang dianil pada 400oC dengan jumlah lapisan b). 1 lapis (4A), c). 3 lapis (4B) dan d). 5 lapis (4C)

83

Gambar 6.1. Morfologi lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO setelah: (a) proses CBD (sampel A) dengan perbesaran i) 5.000 X, ii) 10.000 X, dan iii) 25.000 X; (b) proses PHT-1 (sampel B) dengan perbesaran i) 5.000 X, ii) 10.000 X, dan iii) 25.000 X; serta (c) proses PHT-2 (sampel C) dengan perbesaran i) 5.000 X, ii) 10.000 X, dan iii) 25.000 X

88

Gambar 6.2. Penampang melintang lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO setelah: a) proses CBD (sampel A); b) proses PHT-1 (sampel B); dan c) proses PHT-2 (sampel C)

88

Gambar 6.3. Pencitraan AFM 2D lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO setelah: a) proses CBD (sampel A); b) proses PHT-1 (sampel B); dan c) proses PHT-2 (sampel C)

C)

Gambar 6.5. Pola difraktogram lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO setelah: a) proses CBD (sampel A); b) proses PHT-1 (sampel B); dan c) proses PHT-2 (sampel C)

92

Gambar 6.6. Plot kurva analisis metode Scherrer untuk lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO setelah: a) proses CBD (sampel A); b) proses PHT-1(sampel B); dan c) proses PHT-2(sampel C).

93

Gambar 6.7. Plot kurva analisis metode Williamson-Hall dengan asumsi UDM untuk lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO: a) setelah proses CBD (sampel A); b) setelah proses PHT-1 (sampel B); dan c) setelah proses PHT-2 (sampel C).

94

Gambar 6.8. Plot kurva analisis metode Williamson-Hall dengan asumsi UDSM untuk lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO a) setelah proses CBD (sampel A); b) setelah proses PHT-1 (sampel B); dan c) setelah proses PHT-2 (sampel C)

94

Gambar 6.9. Plot kurva analisis metode Williamson-Hall dengan asumsi UDEDM untuk lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO a) setelah proses CBD (sampel A); b) setelah proses PHT-1 (sampel B); dan c) setelah proses PHT-2 (sampel C)

95

Gambar 6.10. Plot kurva perhitungan energi celah pita (Eg) dengan

metode ASF untuk lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITO setelah:a) proses CBD (sampel A); b) proses PHT-1 (sampel B); dan c) proses PHT-2 (sampel C)

96

Gambar 6.11. Plot ln A terhadap 1/λ untuk lapisan nanostruktur ZnO di atas kaca ITOsetelah: a) proses CBD (sampel A); b) proses PHT-1 (sampel B); dan c) proses PHT-2 (sampel C)

97

Gambar 6.12. Kurva rapat arus (J) terhadap tegangan (V) untuk DSSC dengan anoda lapisan nanostruktur ZnO

Tabel 4.1. Diameter rata-rata nanorods ZnO sebelum dan sesudah perlakuan pasca-hidrotermal

53

Tabel 4.2. Ukuran kristalit nanorods ZnO 55

Tabel 4.3. Energi celah pita untuk nanorods ZnO (a). as-synthesized; setelah perlakuan pasca-hidrotermal 100oC selama (b). 3 jam, dan (c). 12 jam; setelah perlakuan pasca-hidrotermal 150oC selama (d) 3 jam, dan (e) 12 jam

56

Tabel 4.4. Diameter dan panjang rata-rata nanorods ZnO hasil sintesis 57 Tabel 4.5. Ukuran kristalit rata-rata nanorods ZnO hasil sintesis dengan

variasi waktu reaksi

60

Tabel 4.6. Energi celah pita nanorods ZnO hasil sintesis 61 Tabel 4.7. Parameter nanostruktur ZnO as-deposited dan setelah

perlakuan pasca-hidrotermal

64

Tabel 4.8. Energi celah pita nanorods ZnO as-deposited dan setelah perlakuan pasca-hidrotermal

68

Tabel 5.1. Energi celah pita lapisan bibit nanorods ZnO 74 Tabel 5.2. Diameter rata-rata nanorods ZnO hasil sintesis 78 Tabel 5.3. Diameter kristalit nanorods ZnO hasil sintesis. 80 Tabel 5.4. Energi celah pita nanorods ZnO hasil sintesis via metode

CBD

82

Tabel 6.1. Diameter nanostruktur dan ketebalan rata-rata lapisan ZnO 90 Tabel 6.2. Parameter kisi nanostruktur ZnO 92 Tabel 6.3. Parameter geometrik nanostruktur ZnO 95 Tabel 6.4. Energi celah pita (Eg) dan energi Urbach (Eu) yang

ditentukan dengan metode ASF

97

BAB I Pendahuluan

1.1. Latar Belakang

Seng oksida (ZnO) dalam bentuk nanostruktur satu dimensi

(one-dimensional, 1D) merupakan salah satu material yang banyak diteliti dalam

dekade terakhir ini. Struktur morfologi yang beragam, proses sintesis yang mudah serta aplikasi yang luas di bidang optik, elektronik, piezoelektrik dan sensor [1–3] merupakan daya tarik bagi pengembangan riset tentang material tersebut.

ZnO merupakan material semikonduktor dengan nilai energi celah pita (band gap energy, Eg) yang lebar (3,37 eV) dan nilai energi ikat eksiton yang besar (60 meV) [4-5]. Posisi pita valensi ZnO yang tepat berada di bawah pita konduksi (direct band gap) memungkinkan terjadinya eksitasi elektron yang lebih cepat pada saat absorpsi energi foton dibandingkan dengan TiO2 yang memiliki karakeristik sebagai semikonduktor indirect band gap. ZnO yang tumbuh dalam nanostruktur one-dimensional (1D) vertikal; seperti nanowires, nanorods, dan

nanotubes; bahkan secara khusus diketahui berpotensi dalam bidang

optoelektronik dan elektronik [6].

Salah satu kelebihan dari struktur 1D adalah dapat memberikan efek

ballistic transport, dimana elektron dapat bergerak dalam suatu medium dengan

mengabaikan resistansi elektrik yang disebabkan karena adanya hamburan [7-8]. Dengan demikian, kemungkinan energi yang hilang dalam proses transportasi elektron dapat diminimalisasi. Hamburan pada proses transportasi dapat terjadi karena adanya pengotor, cacat pada kristal maupun struktur yang memungkinkan terjadinya osilasi gerak elektron pada proses transportasi.

dan terbarukan merupakan trend penelitian yang cukup populer saat ini. Dengan memanfaatkan kondisi geografis Indonesia sebagai negara tropis yang berada di garis khatulistiwa, penggunaan sel surya sebagai sumber energi alternatif merupakan solusi penting yang cukup rasional untuk diaplikasikan.

Selain sel surya konvensional berbasis Si, generasi ketiga dari sel surya; yaitu sel surya tersensitasi zat pewarna (dye-sensitized solar cell, DSSC), adalah jenis yang banyak diteliti saat ini. Kelebihan DSSC terletak pada biaya pembuatan yang relatif rendah dan merupakan bagian dari grup sel surya lapisan tipis (thin

film solar cells) [10]. Salah satu komponen penting dari DSSC adalah lapisan

semikonduktor yang diletakkan di antara dua plat kaca konduktif (transparent

conductive oxide glass, TCO glass). Daerah ini merupakan area antar fasa yang

melibatkan semikonduktor dan lapisan zat warna (dye) di atasnya. Lapisan semikonduktor yang banyak dipakai saat ini adalah TiO2. Material ini memiliki energi celah pita (band gap energy, Eg) sebesar 3,20 eV sehingga mampu

menyerap energi foton pada sebagian besar spektrum cahaya matahari.

ZnO merupakan alternatif semikonduktor yang potensial karena memiliki struktur dan nilai Eg yang mirip dengan TiO2 serta mobilitas elektron yang cukup

tinggi (1–5 cm2V-1s-1) [11]. Dalam pembuatan sel surya, kondisi morfologi natural lapisan semikonduktor oksida sangat berpengaruh pada interaksi penyerapan cahaya. Bentuk morfologi yang baik adalah mesoporous channel atau nanorods yang masing-masing tersusun secara paralel dan melekat secara vertikal pada substrat kaca TCO [12]. Bentuk-bentuk ini menghasilkan efek difusi pori yang baik, yang memberikan akses penetrasi dye hingga ke batas butir dan berperan pada fenomena light trapping yang akan mempengaruhi kinerja sel surya.

Pembuatan nanostruktur ZnO secara umum dapat dibagi menjadi 2 metode besar, yaitu proses fasa uap (vapor-phase process) dan proses kimia basah (wet

chemical process) [6]. Proses fasa uap seperti spray pyrolisis [13], radio frequency (RF) / magnetron sputtering [14], dan chemical vapor deposition

Kondisi yang cukup rumit ini mengakibatkan sulitnya dilakukan fabrikasi massal nanostruktur ZnO dengan metode tersebut. Sedangkan proses kimia basah seperti sol–gel [15], hidrotermal [16], spin coating [17], atau elektrodeposition [18] merupakan metode yang kini dianggap cukup menjanjikan untuk fabrikasi nanorod ZnO dalam skala besar. Metode tersebut mempunyai kelebihan pada biaya yang murah, proses yang ramah lingkungan dan dapat dilakukan pada suhu yang relatif lebih rendah [4,19-20]. Namun sayangnya, sebagai konsekuensi dari rendahnya suhu proses tersebut, nanostruktur ZnO yang dihasilkan dengan metode ini mempunyai tingkat kristalinitas yang relatif rendah, karena fasa anorganik yang dihasilkan masih bersifat amorf.

Telah dipertimbangkan sebelumnya bahwa struktur 1D vertikal yang tumbuh merata di atas permukaan substrat dengan kristalinitas yang tinggi merupakan kunci penting dalam pembuatan sel surya yang baik [21]. Beberapa penelitian terdahulu telah dilakukan dalam upaya mendapatkan struktur tersebut dengan menggunakan metode kimia basah [6,21–24]. Namun, hingga saat ini struktur yang vertikal sempurna pada substrat TCO masih sulit didapat dengan menggunakan metode tersebut. Oleh sebab itu perlu dilakukan penelitian yang sistematis dan komprehensif untuk memperoleh kondisi proses optimal yang mampu menghasilkan nanostruktur ZnO 1D dengan karakteristik morfologi, sifat optik dan performa yang paling sesuai untuk lapisan semikonduktor pada DSSC.

1.2. Rumusan Masalah

matahari yang sangat kuat untuk menghasilkan eksitasi foton yang dapat menghasilkan listrik. Hal ini merupakan permasalahan yang perlu ditelaah lebih dalam agar sel surya yang menggunakan ZnO sebagai bahan semikonduktor juga dapat diaplikasikan pada kondisi tertentu dimana intensitas sinar matahari tidak terlampau kuat.

Pada umumnya, kontrol reaksi untuk metode kimia basah hanya dilakukan melalui pengamatan terhadap suhu dan waktu tahan reaksi. Sejauh ini, belum ditemukan adanya penelitian yang mengarah pada pengaruh penambahan tekanan eksternal terhadap proses kimiawi basah serta hasil sintesis yang akan didapat. Dengan melakukan modifikasi pada tekanan yang digunakan dalam reaksi, diharapkan dapat diperoleh struktur yang diinginkan dalam waktu yang lebih singkat dan suhu proses yang lebih rendah.

1.3. Tujuan Penelitian

Berdasarkan uraian pada Sub Bab 1.2, maka optimasi karakteristik nanostruktur ZnO merupakan prioritas di dalam fabrikasi sel surya. Kontrol terhadap struktur nanostruktur ZnO, diharapkan memperbaiki sifat-sifat elektronik fundamental material. Penurunan nilai Eg sebagai salah satu parameter elektronik material dapat dilakukan dengan melakukan restrukturisasi morfologi ZnO melalui proses hidrotermal. Dengan demikian maka diharapkan efisiensi dan arus yang dihasilkan DSSC dengan lapisan nanostruktural ZnO hasil sintesis melalui proses pasca-hidrotermal tersebut dapat ditingkatkan secara signifikan. Dengan mempertimbangkan aspek-aspek tersebut di atas, maka secara umum penelitian ini bertujuan untuk:

a. Mempelajari proses sintesis nanostruktur ZnO melalui metode kimia basah pada suhu rendah dan proses pasca–hidrotermal untuk memperoleh nanostruktur yang sesuai untuk lapisan semikonduktor oksida pada DSSC. b. Menelaah korelasi antara parameter-parameter sintesis terhadap morfologi,

kristalinitas, serta sifat-sifat elektronik fundamental nanostruktur ZnO; c. Meneliti hubungan antara sifat-sifat fisik nanostruktur ZnO hasil sintesis

Untuk mencapai tujuan di dalam penelitian ini, akan dilakukan beberapa strategi sebagai berikut:

a) Nanostruktur ZnO disintesis melalui metode kimia basah dengan menggunakan prekursor larutan bibit _Zn(NO3).4H2O dan heksametilentetraamin (HMTA). Variasi pada konsentrasi larutan bibit, suhu dan waktu reaksi, serta kondisi basa larutan digunakan untuk mencari kondisi optimum proses sintesis nanostruktur ZnO.

b) Nanostruktur ZnO kondisi optimum disintesis melalui metode kimia basah dan dilanjutkan dengan perlakuan pasca-hidrotermal dengan variasi konsentrasi dan waktu reaksi. Pengaruh dari faktor-faktor tersebut terhadap kristalinitas, sebaran (coverage), dan morfologi bibit nanostruktur ZnO di atas substrat akan dipelajari secara sistematis.

c) Nanostruktur ZnO sebagai lapisan bibit di atas substrat ditumbuhkan melalui metode kimia basah dan dilanjutkan dengan proses pasca-hidrotermal. Investigasi terhadap proses penempelan larutan bibit nanostruktur ZnO pada substrat kaca indium titanium oxide (ITO) dilakukan dengan variasi jumlah lapisan bibit yang ditempelkan pada substrat melalui metode spin-coating. Selain itu, proses pertumbuhan lapisan bibit menjadi struktur nanostruktur ZnO juga dilakukan mealui proses hidrotermal. Metode hidrotermal yang digunakan pada tahap ini dilakukan dalam reaktor dengan variasi waktu dan tekanan reaksi. Dengan menggunakan penambahan tekanan, diharapkan kristalinitas dan orientasi pertumbuhan nanorod ZnO dapat mengalami kenaikan secara signifikan sehingga mampu menghasilkan sifat optik yang baik untuk diaplikasikan pada sel surya.

1.4. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan ini dimulai dari Bab I: Pendahuluan, Bab ini, akan dibahas latar belakang yang mendasari dilakukannya penelitian. Berdasarkan latar belakang tersebut, dirumuskan masalah yang akan diselesaikan dengan menentukan tujuan-tujuan penelitian. Selain itu, Bab ini juga akan menggambarkan secara singkat mengenai sistematika penulisan disertasi.

Bab II berisikan Tinjauan Pustaka, yaitu literatur mengenai seng oksida (zinc oxide, ZnO), yang meliputi sifat-sifat karakteristik materialnya, proses sintesis, dan aplikasinya dalam sel surya, terutama DSSSC. Dalam Bab ini, akan dibahas secara spesifik teknik sintesis nanostruktur ZnO dengan metode kimiawi basah yang telah dilakukan oleh penelitian-penelitian terdahulu. Dengan menggabungkan hasil studi literatur dan percobaan pendahuluan yang telah dilakukan sebelumnya, dirumuskan state of the art, berikut hipotesis yang digunakan dalam penelitian ini.

Bab III menjelaskan tentang Metodologi Penelitian, yang berisi prosedur sintesis nanostruktur ZnO dan karakterisasi hasil penelitian. Pada Bab ini, akan dijelaskan secara rinci mengenai tahapan penelitian, metode kerja yang dilakukan, serta teknik-teknik karakterisasi yang digunakan dalam penelitian.

Tahapan awal dari hasil penelitian disajikan dalam Bab IV: Nanorod ZnO Berketeraturan Tinggi Hasil Sintesis Chemical Bath Deposition (CBD) dan Pasca-Hidrotermal. Bab ini menjelaskan tentang ringkasan hasil dan pembahasan dari percobaan perdahuluan yang dilakukan di awal penelitian. Parameter-parameter sintesis seperti suhu reaksi, waktu reaksi, serta kekuatan basa menjadi perhatian yang akan ditelaah. Pada akhir Bab IV, didapat kondisi sintesis yang paling optimum untuk digunakan dalam tahapan penelitian selanjutnya.

Proses penelitian selanjutnya akan dibahas dalam Bab V: Pengaruh Lapisan Bibit terhadap Pertumbuhan Nanorod ZnO yang Disintesis dengan Metode

Chemical Deposition Bath (CBD). Tahapan ini merupakan proses optimasi

ZnO dengan struktur paling optimum yang diperoleh pada proses ini selanjutnya akan digunakan dalam fabrikasi DSSC.

Dengan menggunakan hasil yang telah diperoleh pada Bab terdahulu, dilakukan tahapan selanjutnya, yaitu Bab VI: Efek Variasi Perlakuan Hidrotermal terhadap Lapisan Nanostruktur ZnO untuk Aplikasi Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC). Dalam Bab ini, dilakukan fabrikasi DSSC dengan menggunakan nanostruktur ZnO hasil optimasi yang sudah didapat dari Bab 5. Pengaruh penambahan tekanan eksternal menjadi ciri utama yang akan dijelaskan dalam Bab ini. Selain itu, sifat-sifat karakteristik dari DSSC yang dihasilkan juga akan diamati.

BAB II Studi Pustaka

2.1. Seng Oksida (Zinc Oxide, ZnO)

Seng oksida (zinc oxide, ZnO) adalah salah satu semikonduktor golongan II-VI dengan tingkat ionitas berada pada ambang batas antara semikonduktor ionik dan kovalen [25]. Material ini memiliki energi celah pita langsung (direct band

gap) yang lebar sebesar 3,37 eV pada 300 K [9, 25–28]. Kelebihan yang dimiliki

oleh material dengan energi celah pita yang lebar adalah dapat menahan medan listrik yang besar, memiliki electronic noise yang rendah, serta dapat dioperasikan pada suhu dan daya tinggi. Nilai energi celah pita ZnO dapat dinaikkan hingga ~4.0 eV dengan cara memadukan ZnO dan magnesium oksida (MgO) atau kadmium oksida (CdO). Sifat tersebut membawa potensi yang sangat besar untuk aplikasi laser semikonduktor UV-biru, dioda pemancar cahaya dan peralatan optoelektronik [29-30].

ZnO menghasilkan emisi ultra-violet (UV) yang kuat disebabkan oleh tingginya energi ikat eksiton sebesar 60 meV [28,9] pada temperatur ruang, jauh lebih tinggi dibandingkan dengan bahan semikonduktor lain, misalnya galium nitrida (GaN). Nilai energi ikat eksiton yang tinggi dapat memperkuat efisiensi emisi eksiton dalam suhu kamar. Tingginya nilai energi ikat eksiton ini membuat ZnO menjadi material yang potensial untuk digunakan dalam aplikasi laser dengan basis rekombinasi eksiton pada suhu kamar atau bahkan suhu tinggi [3]. Fenomena luminesensi sinar UV pada suhu kamar bahkan telah dilaporkan terjadi pada nanopartikel ZnO berketeraturan rendah dan pada lapisan tipis film ZnO [27].

Di sisi lain, ZnO merupakan material yang ramah lingkungan dan bersifat

biocompatible, sehingga dapat diaplikasikan sebagai peralatan biomedis tanpa

dengan tipe-n dengan nilai mobilitas hole berkisar antara 5–30 cm2/(V·s). Koefisien difusi elektron pada anoda ZnO yang difabrikasi menjadi DSSC diketahui memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan TiO2. Nilai koefisien difusi elektron ZnO diketahui sebesar 1,2x10-4 cm2/s, sedangkan TiO2 sebesar 5x10-5 cm2/s [12]. Dengan karakteristik tersebut, ZnO dapat menghantarkan elektron lebih cepat dibandingkan TiO2.

2.1.1. Struktur Kristal ZnO

Secara umum, struktur kristal ZnO terbagi menjadi hexagonal wurtzite,

cubic zincblende, dan struktur kubus rocksalt yang jarang ditemui (hanya terdapat

pada tekanan yang sangat tinggi, yaitu sekitar 10 GPa), seperti terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Struktur ZnO a) rocksalt, b) zinc blende, dan c) wurzite [25].

Gambar 2.2. Struktur kristal wurtzite ZnO [1]

Susunan koordinasi tetrahedral dalam ZnO menunjukkan struktur

non-centrosymmetric [1,32]. Sifat inilah yang menyebabkan adanya fenomena

piezoelektrik dan piroelektrik pada ZnO. Dalam struktur non-centrosymmetric tersebut, pusat muatan positif dan negatif dapat bertukar posisi dengan menambahkan tekanan luar [32].

Efek piezoelektrik dapat diilustrasikan sebagai suatu kation yang dikelilingi oleh anion-anion dengan susunan tetrahedral, seperti terlihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Skema efek piezoelektrik pada kation dan anion yang tersusun secara tetrahedral [27,32].

pusat, sehingga terjadilah dipol listrik. Jika tetrahedral dalam struktur mengalami orientasi yang sama atau orientasi yang saling menguatkan maka kristal akan mengalami dipol listrik makroskopis. Akibatnya, bidang yang saling berseberangan pada kristal akan mempunyai muatan listrik yang berbeda [27].

Sifat piezoelektrik mengacu pada proses reversibel dimana terjadi kontraksi atau elongasi pada kristal ketika diletakkan dalam suatu medan listrik. Sebuah kristal hanya akan bersifat piezoelektrik jika memiliki struktur

non-centrosymmetric, yang memastikan tidak terjadinya dipol listrik dengan arah

berlawanan atau saling meniadakan pada struktur. Efek piezoelektrik dapat mengubah vibrasi mekanik menjadi sinyal listrik atau sebaliknya. Efek ini digunakan sebagai dasar pembuatan resonator, sensor, atau alat kontrol pergerakan pada scaning probe microscopy [27]. Di antara material-material semikonduktor berstruktur tetrahedral, ZnO merupakan material dengan sifat piezoeletrik terkuat, bahkan lebih tinggi dibandingkan dengan GaN dan aluminium nitride (AlN).

2.1.2. Sifat Mekanik ZnO

2.1.3. Sifat Optis dan Elektrik ZnO

ZnO merupakan direct semiconductor. Pada direct semiconductor, pita konduksi berada tepat di atas pita valensi. Absorpsi cahaya dalam semikonduktor umumnya merupakan absorpsi kisi dasar (basic lattice absorption), dimana eksitasi elektron akan menempatkan sejumlah elektron pada pita konduksi dan meninggalkan hole pada pita valensi dalam jumlah yang sama [33]. Perbedaan bentuk kurva energi sebagai fungsi momentum kristal pada semikonduktor (direct dan indirect semiconductors) diperlihatkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Kurva energi sebagai fungsi momentum kristal pada a) direct dan b) indirect semiconductor [33].

yang disebabkan oleh adanya absorpsi fonon (phonon). Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa absorpsi cahaya pada indirect semiconductor lebih rendah dibandingkan direct semiconductor karena melibatkan dua proses, yaitu absorpsi fonon dan absorpsi foton [33].

Sifat optis dari suatu semikonduktor dipengaruhi oleh efek intrinsik dan ekstrinsik. Efek intrinsik terjadi pada elektron dalam pita konduksi dan hole pada pita valensi, dan juga oleh efek eksitonik yang terjadi karena interaksi Coulomb. Sedangkan efek ekstrinsik terjadi karena adanya cacat atau penambahan dopant pada semikonduktor [25].

Pada semikonduktor, sifat elektrik dan optis umumnya dipengaruhi oleh cacat titik (point defect). Konsentrasi cacat pada suatu kristal bergantung pada besarnya energi pembentukan (formulation energy, Ef) [25].

c = Nsites exp {- (Ef / kBT)} (2.1)

dimana Nsites adalah konsentrasi tempat dimana cacat mungkin terjadi. Cacat yang

paling umum terjadi pada kristal ZnO adalah vacancy oksigen (oxygen vacancy) dan interstisi seng (Zn interstitial). Cacat pada kristal ZnO dapat ditentukan berdasarkan kondisi tekanan parsial seng (pO2 dan pZn). Pada suasana reduksi kuat dalam suhu tinggi, maka oxygen vacancy lebih mudah terjadi. Sedangkan Zn

interstitial akan lebih banyak terjadi pada kondisi apabila kristal terekspos dalam

suasana uap Zn berlebih [3,25].

Secara natural, ZnO dengan struktur wurtzite merupakan semikonduktor tipe-n yang disebabkan oleh dua cacat tersebut di atas. Proses doping pada ZnO untuk menghasilkan semikonduktor tipe-p hingga saat ini masih menjadi topik riset yang sangat ramai, dikarenakan tingginya kesulitan dalam pembuatan semikonduktor tersebut. Masalah tersebut disebabkan oleh berbagai hal, antara lain energi cacat asal pada kristal yang lebih rendah dari dopant, adanya pengotor

background selain dopant, serta rendahnya kelarutan dopant. Kandidat dopant

yang cukup baik untuk semikonduktor ZnO tipe-p adalah nitrogen (N) [2,25].

2.2. Nanostruktur ZnO

material one-dimensional (1D) berstruktur nano serta material semikonduktor. Dengan menurunkan ukuran ZnO dari bulk material menjadi skala nanometer atau bahkan lebih kecil, beberapa sifat fisik dari ZnO akan mengalami peningkatan. Hal ini disebut sebagai “quantum size effects” [32].

Celah pita nanopartikel ZnO diketahui memiliki kebergantungan dengan ukuran ZnO. Selain itu, pengataman spektroskopi absorpsi sinar-X dan scanning

electron microscopy memperlihatkan adanya perbaikan kondisi permukaan ketika

ZnO mengalami penurunan ukuran hingga mencapai skala nanometer [32]. Beberapa sifat-sifat fisik nanostruktur ZnO dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Sifat-sifat fisik nanostruktur ZnO [32]

Sifat Fisik Nilai

Konstanta kisi (T = 300K)

a0 0,32 nm

c0 0,52 nm

Density 5,61 g/cm3

Titik leleh 2248 K

Konstanta dielektrik relatif 8,66 Energi celah pita 3,37 eV, direct Energi ikat eksiton 60 meV Massa efektif elektron 0,24 Mobilitas elektron (T = 300K) 200 cm2_/Vs

Massa efektif hole 0,59

Mobilitas hole ( T = 300K) 5-50 cm2/Vs

Nanostruktur ZnO single crystal memiliki sifat listrik yang lebih baik daripada ZnO polikristalin. Kelemahan terbesar dari pengembangan ZnO dalam bidang elektronik dan fotonik terletak pada kesulitan melakukan doping tipe-p. Nanostruktur ZnO dengan doping tipe-p yang berhasil dapat memberikan aplikasi yang sangat besar dalam bidang optoelektronik dan elektronik berskala nano. ZnO

nanowires tipe-p dan tipe-n dapat dibuat menjadi p-n junctions diode atau dioda

pemancar cahaya (Light Emitting Diode, LED) [32].

ZnO dengan ukuran nano telah berhasil disintesis dengan berbagai bentuk, antara lain nanowires dan nanorods, nanocombs, nanorings, nanoloops dan

Gambar 2.5. Berbagai bentuk nanostruktur ZnO hasil sintesis [31]

Sifat optis intrinsik dari ZnO nanostruktur telah banyak dipelajari untuk aplikasi divais fotonik. Berdasarkan data emisi eksiton yang teramati dari spektrum fotoluminesens nanorods ZnO, terlihat bahwa quantum size confinement dapat meningkatkan exciton binding energy [32]. Puncak emisi yang tampak sangat signifikan pada panjang gelombang 380 nm disebabkan oleh transisi

band-to-band. Pita emisi warna hijau-kuning yang teramati merupakan efek dari vacancy atom oksigen. Intensitas emisi cahaya hijau akan meningkat dengan

berkurangnya diameter nanowire. Diameter yang makin kecil mengakibatkan rasio surface-to-volume yang makin besar, sehingga terjadi kenaikan cacat dan

surface recombination [32].

yang baru dan terbarukan [1]. Di antara 1D nanostruktur, nanorods dan nanowires ZnO telah menarik banyak perhatian disebabkan oleh kemudahan dalam pembentukan nanomaterial serta aplikasi yang luas .

2.3. Nanorods ZnO

Nanorods ZnO secara khusus mempunyai potensi aplikasi yang baik dalam

bidang optoelektronik. Struktur nanorods yang teratur diketahui dapat memberikan efek ballistic transport, dimana elektron dapat bergerak dalam suatu medium dengan mengabaikan resistansi elektrik yang disebabkan karena adanya hamburan [30,35]. Mekanisme ballistic transport terlihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Efek ballistic transport [36]

Proses transportasi elektron dalam suatu material bergantung pada karakteristik dari panjang (L) dan lebar (W) daerah aktif dari material tersebut. Daerah bebas rata-rata (dimana terjadi tumbukan elastis) yang dilalui oleh elektron dinyatakan sebagai l. Sedangkan daerah dimana terjadi tumbukan tidak elastis dinyatakan sebagai lψ. Jika panjang L dan W lebih besar daripada l dan lψ,

bersifat quasi-ballistic (Gambar 2.6.b). Sedangkan jika L dan W lebih kecil daripada l dan lψ, maka transport elektron bersifat ballistic (Gambar 2.6.c). Pada

proses transport ballistic, elektron dapat bergerak dengan panjang lintasan yang melebihi panjang dan lebar daerah aktif material tersebut.

2.4. Sintesis Nanostruktur ZnO 2.4.1. Proses Fasa Uap

Salah satu proses sintesis nanostruktur ZnO dalam fasa uap yang banyak digunakan adalah metode chemical vapor deposition (CVD). Secara umum, metode CVD merupakan proses sederhana dimana suatu material dipanaskan pada suhu tinggi sehingga menjadi fasa uap yang kemudian dikondensasi. Proses sintesis dengan metode CVD dapat digunakan untuk menghasilkan nanostruktur ZnO dalam berbagai bentuk, dengan menggunakan material dasar dan parameter proses yang berbeda-beda. Salah satu metode oksidasi langsung yang dapat digunakan adalah dengan memanaskan serbuk Zn dengan aliran gas oksigen pada suhu 500-700o_{C. Metode lain yang juga sering digunakan adalah metode} karbotermal, yaitu mencampurkan Zn dan karbon (C) dengan komposisi tertentu. Proses sintesis dengan metode ini berlangsung pada suhu 800-1100oC. Selain itu, seng asetilasetonat hidrat juga digunakan sebagai material dasar, dengan suhu proses yang jauh lebih rendah (130-140oC) [2,32]. Morfologi dari nanostruktur yang dihasilkan sangat bergantung pada jenis dan laju alir carrier gas serta jarak subtrat dan material dasar.

Proses CVD biasanya dilakukan dalam tube furnace horizontal dengan kondisi vakum pada tekanan ~2x10-3 Torr. Pada proses ini, material dasar yang akan diproses diletakkan dalam krusibel alumina dan diletakkan pada posisi tengah furnace yang disebut sebagai zona pemanasan. Uap ZnO kemudian ditransportasikan ke ujung lain dari tube furnace yang bersuhu lebih rendah, yang disebut sebagai zona deposisi. Pada area ini, diletakkan substrat yang akan digunakan sebagai tempat menempelnya uap ZnO hasil pemanasan. Proses transportasi dilakukan dengan menggunakan aliran gas H2 sebagai carrier gas. Pada zona pemanasan, reaksi yang terjadi adalah:

Di zona deposisi, terjadi reaksi sebaliknya, sebagai konsekuensi dari suhu yang lebih rendah dari zona pemanasan. Reaksi yang terjadi pada zona tersebut adalah:

Zn(g) + H2O(g) → ZnO(s) + H2(g) (2.3)

ZnO hasil pemanasan inilah yang akan menempel pada substrat membentuk lapisan tipis [25]. Metode ini menghasilkan lapisan ZnO pada substrat dengan

coverage yang baik dan tingkat pertumbuhan yang tinggi. Parameter proses yang

penting untuk diperhatikan pada proses ini antara lain adalah suhu, tekanan,

carrier gas (meliputi jenis gas dan laju alirnya), jenis substrat, dan waktu

evaporasi [27]. Skema proses dengan metode CVD dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Beberapa proses sintesis nanostrukturZnO dengan metode CVD dengan menggunakan: a) substrate downstream; b) substrate upstream; c) inner

tube; d) inlet gas O2; e).vertical growth; dan f) multiple gas inlet [2]

pertumbuhan nanostruktur ZnO dikontrol dengan penambahan katalis, yang akan membentuk nanopartikel atau nanocluster. Katalis yang ditambahkan dapat berupa Au, Cu, Co atau Sn. Skema proses sintesis dengan metode VLS dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Skema proses sintesis nanostruktur ZnO dengan metode VLS [32]

2.4.2. Proses Fasa Larutan

Beberapa metode sintesis berbasis larutan yang umum digunakan antara lain adalah aqueous solution growth dan metode hidrotermal. Metode-metode ini dapat digunakan untuk menempelkan nanostruktur ZnO di atas substrat. Untuk metode aqueous solution growth, reaktan yang umum digunakan adalah larutan Zn(NO3)2 dan (CH2)6N4. Reaksi yang terjadi pada proses ini adalah [3]:

(CH2)6N4 + 6H2O ↔ 6HCHO + 4NH3 (2.4)

NH3 + H2O ↔ NH4+ _{+ OH}- _(2.5)

2OH- + Zn2+ ↔ ZnO(s) + H2O (2.6) Metode aqueous solution growth dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan gelas laboratorium sederhana. Selain itu, metode ini umumnya dilakukan pada suhu yang relatif rendah, yaitu di bawah titik didih air (80-90oC).

Gambar 2.9. Skema peralatan pada sistem hidrotermal

Pada Gambar 2.9, ZnO ditumbuhkan dengan meletakkan lapisan bibit ZnO (yang sudah ditumbuhkan di atas substrat) pada posisi terbalik. Metode hidrotermal menggunakan cairan atau air untuk menghasilkan tekanan yang dapat membantu pertumbuhan ZnO nanostruktur. ZnO diharapkan tumbuh vertikal dengan bantuan gaya gravitasi. Substrat yang sudah diletakkan dengan posisi terbalik kemudian diletakkan dalam kontainer Teflon, lalu dimasukkan dalam tabung hidrotermal. Bentuk kristal yang dihasilkan melalui ini bergantung pada jenis prekursor dan derajat keasaman (pH) larutan bibit serta nutrient.

Ukuran dan orientasi pertumbuhan nanostruktur ZnO yang disintesis dengan proses hidrotermal sangat bergantung pada arah orientasi dan perlakuan substrat. Sintesis dengan menggunakan metode hidrotermal membutuhkan adanya lapisan bibit (seed layer) yang akan memicu pertumbuhan nanostruktur menjadi lapisan yang rapat dan merata di seluruh permukaan substrat [27]. Pembuatan lapisan bibit di atas substrat dapat dilakukan dengan proses spin-coating atau sputtering.

2.5. Sintesis Nanorods ZnO dengan Proses Kimiawi Basah

Metode sol-gel telah banyak digunakan dalam pembuatan nanorods ZnO. Proses ini menawarkan kemungkinan sintesis film untuk area yang luas dengan aplikasi teknologi berbiaya rendah [39]. Secara umum investigasi terdahulu melaporkan pentingnya lapisan bibit untuk menginisiasi pertumbuhan yang seragam dan terarah dari nanorods ZnO [12,40–43]. Adanya lapisan bibit ZnO di atas substrat kaca konduktif merupakan kontrol yang baik terhadap diameter dan panjang nanorods ZnO yang akan ditumbuhkan. Tetapi, lapisan bibit tidak memperbaiki densitas coverage nanorods ZnO pada substrat. Untuk mendapatkan substrat dengan tingkat coverage nanorods ZnO yang baik, maka dapat dilakukan proses penempelan lapisan bibit ZnO beberapa kali [43]. Untuk proses sol-gel, metode pembuatan lapisan ZnO yang umum dilakukan yaitu teknik dip-coating, dimana substrat dicelupkan dalam larutan bibit dan ditarik kembali dengan kecepatan tertentu. Metode lain yang dapat digunakan adalah teknik spin-coating, yaitu proses penetesan larutan bibit di atas substrat yang dilanjutkan dengan pemutaran substrat pada kecepatan tinggi [44].

lapisan bibit nanorods ZnO, yang dalam hal ini dilakukan dengan metode sol-gel. Tahap ini terjadi di awal proses dan berlangsung cepat. Hasil yang didapat berupa

nanorods dengan bentuk pendek namun berdiameter melebar. pH, konsentrasi

larutan serta suhu reaksi menentukan ukuran serta bentuk ZnO yang akan tumbuh. Setelah itu, tahap kedua adalah proses penumbuhan nanorods ZnO, baik yang tertanam di dalam substrat (berupa lapisan bibit yang sudah ditempelkan) maupun yang tidak (hanya mengandalkan deposisi dari uap ZnO yang terbentuk pada larutan bibit). Tahap kedua ini berjalan dengan lambat, membentuk nanorods dengan panjang tertentu. Tahap ini disebut sebagai proses penumbuhan. Waktu reaksi penumbuhan ini sangat mempengaruhi ukuran (panjang dan diameter)

nanorods yang terbentuk.

Sintesis ZnO umumnya dilakukan pada suhu rendah. Lang dkk [22] bahkan telah berhasil melakukan sintesis nanorods ZnO pada suhu di bawah suhu kamar (cool temperature, 4o_{C). Pada penelitian tersebut, disimpulkan bahwa rendahnya} suhu yang digunakan dalam sintesis mempengaruhi ukuran diameter nanorods ZnO yang dihasilkan. Semakin rendah suhu yang digunakan, maka ukuran diameter nanorods semakin kecil.

Seperti telah disebutkan, nanorods ZnO hasil sintesis dengan metode sol-gel mempunyai beberapa kelemahan. Rendahnya kristalinitas dan emisi UV merupakan dua hal yang perlu diperbaiki untuk mendapatkan nanorods ZnO sebagai semikonduktor yang menghasilkan DSSC dengan efisiensi tinggi. Lee dkk [46] telah melakukan proses pasca-hidrotermal setelah sintesis ZnO pada substrat dalam reaktor hidrotermal. Perlakuan pasca-hidrotermal dilaporkan telah menaikkan keteraturan struktur nanorods ZnO yang terbentuk. Dalam penelitian tersebut, diperoleh hasil ZnO berstruktur nanorods yang tumbuh vertikal di atas substrat dengan panjang sekitar 900 nm dan waktu reaksi terbaik adalah 8 jam.

Dari studi literatur yang telah dilakukan, diketahui bahwa kristalinitas ZnO

as-synthesized dapat dikontrol melalui dua tahap. Kontrol tahap pertama

dilakukan melalui proses perlakuan setelah nanorods ZnO tumbuh di atas substrat. Proses ini bersifat memperbaiki kristalinitas dari ZnO yang sudah terbentuk. Chung dkk [12] dan Lee dkk [49] menyebutkan telah terjadi kenaikan kristalinitas dan sifat optis dari lapisan ZnO setelah melalui anil treatment dengan penambahan gas Ar/O2 dalam lingkungan ambien. Selain itu, Lee dkk [46], Guo dkk [40,48] dan Zhang dkk [35] melakukan perlakuan pasca-hidrotermal untuk memperbaiki kristalinitas nanorods ZnO, dengan menggunakan larutan bibit untuk membantu pertumbuhan nanorods ZnO yang akan dihasilkan.

Xu dkk [41] menyatakan bahwa proses hidrotermal merupakan proses sederhana pada suhu relatif rendah yang mudah dikontrol dan memberikan hasil yang seragam. Pada penelitian tersebut dilaporkan bahwa kenaikan tekanan dapat meningkatkan ukuran diameter batang (rod) dan menekan arah pertumbuhan kristal dari kisi (001) menjadi (002) sehingga didapat struktur nanorods yang tebal dengan permukaan heksagonal yang datar [41].

2.6. Aplikasi Nanostruktur ZnO untuk Sel Surya

Sel surya adalah suatu divais fotovoltaik (photovoltaic, PV) yang dapat mengkonversi radiasi sinar matahari menjadi listrik secara langsung. Efek PV pertama kali diamati oleh Henri Becquerel pada tahun 1893. Secara umum, divais ini menghasilkan listrik melalui dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan atau cairan di antaranya. Ketika sistem sel surya mengalami radiasi sinar matahari, terjadi fenomena PV, dengan listrik sebagai output yang dihasilkan. Sel surya melibatkan sebuah p – n junction dalam suatu semikonduktor dimana proses PV berlangsung [33]. Gambaran umum sel surya dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Absorpsi cahaya terjadi pada lapisan semikonduktor (pada Gambar 2.10 terletak pada bagian Base). Material semikonduktor harus dapat menyerap sebagian besar spektrum cahaya matahari agar dapat menghasilkan listrik. Umumnya, proses absorpsi cahaya terjadi di daerah atau di sekitar area permukaan divais [33].

2.6.1. Sel Surya Tersensitasi Zat Pewarna (Dye-Sensitized Solar Cell , DSSC) 2.6.1.1. Two-Dimensional (2D) DSSC

Jantung dari sistem DSSC adalah suatu sistem lapisan oksida mesoporous yang tersusun atas partikel-partikel berukuran nanometer yang dipanaskan sehingga memungkinkan terjadinya konduktansi elektronik pada lapisan tersebut. Struktur lapisan oksida semikonduktor yang digunakan memegang peranan penting dalam performa DSSC. Dengan memperkecil ukuran semikonduktor dari skala mikrometer menjadi nanometer terbukti dapat menaikkan efisiensi DSSC. Selain itu, struktur berbentuk nanorods memiliki keunggulan pada sifat ballistic

effect yang dapat meminimalisasi energi yang hilang selama transportasi selektron

yang disebabkan oleh adanya hamburan karena struktur. Secara umum, prinsip kerja sel DSSC terlihat pada Gambar 2.11 [34].

Gambar 2.11. Prinsip kerja dan skema energi pada DSSC [34]

Two-Dimensional (2D) DSSC umumnya tersusun atas kaca konduktor

semikonduktor di atasnya. Elektroda counter (umumnya dilapisi karbon atau platina) diletakkan secara paralel di atas elektroda kerja [1]. Skema 2D DSSC secara sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12. Skema 2D DSSC [1]

Pada lapisan semikonduktor ditempelkan lapisan zat pewarna (dye) yang berfungsi sebagai transfer muatan. Eksitasi elektron karena cahaya yang diserap oleh zat warna mengakibatkan injeksi elektron tereksitasi ke dalam pita konduksi pada lapisan oksida semikonduktor. Kekosongan elektron pada zat warna tersebut akan diisi oleh donor elektron yang berasal dari elektrolit. Elektrolit yang digunakan umumnya adalah suatu sistem yang merupakan pasangan reaksi reduksi-oksidasi, misalnya pasangan iodide/triiodida. Elektron yang keluar dari iodida kemudian akan diregenerasi dengan reduksi triiodida pada elektroda counter. Tegangan yang dihasilkan selama penyinaran sel DSSC berkaitan dengan perbedaan tingkat energi Fermi elektron pada lapisan semikonduktor padat dan potensial redoks dari elektrolit. Sehingga, secara umum, peralatan DSSC akan dapat menghasilkan tegangan melalui pencahayaan tanpa mengalami transformasi kimia yang permanen [34].

2.7. State of The Art Penelitian

Struktur ZnO yang tumbuh secara vertikal di atas substrat kaca

transparent-conducting oxide (TCO) merupakan salah satu faktor penting untuk mendapatkan

yang lebih baik. Lebih lanjut dapat dikatakan bahwa tingkat kristalinitas dari nanostruktur ZnO juga memainkan peranan penting. Oleh sebab itu, realisasi struktur ZnO 1D dengan tingkat kristalinitas dan keteraturan tinggi merupakan satu area yang harus ditelaah secara komprehensif dan mendalam.

Penelitian ini dibagi menjadi 3 tahapan yang berkesinambungan, dimana masing-masing tahap akan memiliki fokus pada area tertentu. Tahapan pertama merupakan tahap percobaan pendahuluan yang menitikberatkan pada modifikasi teknik sintesis. Dalam tahap ini, pengaruh suhu, waktu reaksi serta konsentrasi basa merupakan faktor-faktor penting yang ditelaah. Proses yang akan digunakan meliputi metode kimiawi basah dengan teknik chemical bath deposition (CBD), yang dilanjutkan dengan proses pasca-hidrotermal. Metode sintesis yang paling optimum untuk kondisi percobaan merupakan hasil yang menjadi target utama.

Tahapan kedua dilakukan dengan melanjutkan penelitian pada tahap sebelumnya sehingga didapat hasil nanostruktur ZnO dengan sifat-sifat fisik paling optimum. Parameter-parameter yang meliputi coverage, ukuran diameter, tingkat kristalinitas, serta nilai Eg nanostruktur ZnO yang akan dihasilkan akan

menjadi perhatian utama. Kontrol terhadap proses pembentukan nanostruktur ZnO dilakukan dengan pengamatan terhadap lapisan bibit yang ditempelkan di atas substrat kaca TCO. Proses kontrol terhadap tekanan sistem reaksi pada proses pasca-hidrotermal menjadi titik berat selanjutnya yang diutamakan dalam tahap ini. Berdasarkan studi literatur yang telah dilakukan, belum ditemukan adanya penelitian terstruktur yang membahas tentang penambahan tekanan eksternal dalam proses sintesis nanostruktur ZnO via metode kimiawi basah. Dengan demikian, penelitian ini akan menjadi titik awal yang akan menggambarkan peran tekanan eksternal dalam sintesis nanostruktur ZnO.

2.8. Hipotesis Penelitian

Kontrol terhadap morfologi dan sifat-sifat optis serta elektrik nanostruktur ZnO dimulai sejak awal proses persiapan. Untuk mendapatkan nanostruktur ZnO dengan tingkat coverage yang baik di atas substrat, maka perlu dilakukan proses deposisi larutan bibit di atas kaca ITO yang terlebih dahulu sudah dibersihkan. Lapisan bibit ini juga akan berperan sebagai cetakan (template) yang akan mencegah nanorods ZnO tumbuh melebar hingga mencapai ukuran sub mikron.

BAB III Metode Penelitian

3.1. Tinjauan Umum

Secara keseluruhan, kegiatan penelitian yang dilakukan terbagi atas 3 bagian utama, yaitu:

a. Tahap 1 : Percobaan Pendahuluan b. Tahap 2 : Optimasi Struktur c. Tahap 3 : Fabrikasi Sel Surya

Gambaran umum penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Gambaran umum penelitian.

dilakukan dengan metode chemical bath deposition (CBD) dan dilanjutkan dengan perlakuan pasca-hidrotermal di dalam reaktor [46]. Parameter proses yang menjadi kontrol reaksi adalah suhu, waktu serta konsentrasi basa pembentuk ZnO. Tahap 2 dilakukan dengan menggunakan metode sintesis yang telah diuji pada Tahap 1. Tahapan ini merupakan proses optimasi struktur, dengan target utama berupa lapisan nanostruktur ZnO dengan coverage merata di atas susbtrat kaca TCO. Pengembangan yang dilakukan dari tahap sebelumnya adalah penempelan lapisan bibit ZnO yang dilakukan dengan metode spin-coating. Lapisan ini selanjutnya akan ditumbuhkan dengan menggunakan metode CBD. Selanjutnya, diinvestigasi pengaruh penambahan tekanan eksternal pada proses pasca-hidrotermal terhadap nanostruktur ZnO yang telah dihasilkan. Sifat-sifat fisik maupun optik lapisan nanostruktur ZnO menjadi perhatian dalam bagian ini.

Lapisan ZnO dengan hasil yang paling optimum akan digunakan dalam Tahap 3, yaitu aplikasi nanostruktur ZnO untuk DSSC. Pada tahap ini, dilakukan pengamatan terhadap parameter-parameter penting dalam sel surya (seperti fill

factor dan efisiensi) dengan sifat-sifat fisik dan optik yang telah didapat pada

tahap sebelumnya. Tahap 3 ini menghasilkan prototipe DSSC dengan nanostruktur ZnO sebagai lapisan anoda.

Untuk setiap tahap penelitian. Dilakukan karakterisasi nanostruktur ZnO hasil sintesis dengan menggunakan X-ray diffraction (XRD), scanning electron

microscopy (SEM), dan spektroskopi ultra violet–visible (UV-Vis). Pengujian

terhadap prototipe DSSC yang dihasilkan juga dilakukan dengan menggunakan

solar simulator. Rincian penelitian secara lengkap akan disampaikan pada

Sub-Sub Bab berikut.

3.2. Sintesis Nanostruktur ZnO 3.2.1. Pembuatan Lapisan Bibit ZnO

nitrat tetrahidrat (Zn(NO3)2.4H2O/Zn-nitrat, Merck), heksametilentetraamin (C6H12N4/HMTA, Merck), aquades, etanol teknis, dan aseton teknis. Sebelum digunakan, kaca ITO berukuran 2,5x2,5 cm terlebih dahulu dibersihkan dalam air, aseton, dan etanol dengan ultrasonic cleaner selama 480 detik dalam masing-masing cairan. Setelah itu, kaca ITO dikeringkan dengan hair dryer dan disimpan dalam tempat kering yang tertutup untuk kemudian digunakan sebagai substrat.

Larutan bibit dibuat dengan menggunakan campuran ekimolar Zn-Nitrat dan HMTA 0,05M pada suhu 0oC dan dibiarkan selama 1 jam. Setelah itu, larutan diteteskan di atas kaca ITO dan ditahan selama 5 menit agar dapat terserap pada permukaan kaca. Untuk menghilangkan sisa larutan yang tidak terserap, dilakukan proses spin coating dengan kecepatan 2000 rpm selama 5 detik. Sampel-sampel kaca ITO yang sudah dilapisi larutan bibit kemudian dipanaskan dalam muffle

furnace pada 200o_{C selama 10 menit. Perlakuan ini dilakukan sebanyak 3x untuk} melihat pengaruh ketebalan lapisan terhadap sifat-sifat fisik nanostruktur ZnO.

3.2.2. Pertumbuhan Nanostruktur ZnO

Proses pertumbuhan nanostruktur dilakukan dengan metode CBD. Nanostruktur ZnO ditumbuhkan dengan menggantung kaca ITO di dalam larutan ekimolar Zn-nitrat dan HMTA 0,05 M pada suhu 90oC selama 3 jam. Skema proses CBD dapat dilihat pada Gambar 3.2. Setelah itu, kaca ITO dicuci dengan menggunakan aquades dan dikeringkan di udara.

Gambar 3.2. Skema proses CBD

3.2.3. Proses Pasca-Hidrotermal

Proses pasca-hidrotermal dilakukan dengan meletakkan sampel di atas air yang dipanaskan hingga mendidih, dengan bagian kaca yang sudah ditumbuhi lapisan ZnO diletakkan menghadap sisi dasar reaktor. Terdapat dua variasi proses yang dilakukan dalam percobaan. Variasi pertama dilakukan dengan menggunakan reaktor hidrotermal dalam muffle furnace pada suhu 150oC selama 3 jam pada tekanan atmosfer. Untuk selanjutnya perlakuan pasca-hidrotermal ini disebut dengan singkatan PHT-1. Skema dari reaktor hidrotermal tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Skema reaktor hidrotermal pada suhu 150o_{C selama 3 jam pada} tekanan atmosfer (PHT-1)

Pada variasi proses pasca-hidrotermal kedua, digunakan reaktor tertutup pada suhu 100oC selama 1 jam dalam tekanan gas nitrogen (N2) 1 bar. Perlakuan pasca-hidrotermal ini selanjutnya disebut dengan singkatan PHT-2. Skema reaktor pasca-hidrotermal pada variasi yang kedua ini dapat dilihat pada Gambar 3.4. Untuk setiap varisi proses, sampel setelah perlakuan pasca-hidrotermal kemudian dicuci dengan aquades, dikeringkan di udara, dan dikarakterisasi untuk mengetahui sifat-sifat fisiknya.