Volume 5, Nomor 1, Oktober 2003 ISSN1411-1349
0 PTIMASI IND EKS BIAS DAN KETEBALAN LAPISAN ANTI
REFLEKSI TCO SEBAGAI JENDELA SEL SURY A a-Si:H
Sudjatmoko, Wirjoadi, Sri Sulamdari, Bambang Siswanto, Tono WibowoBadan Tenaga Nuk/ir Nasiona/, Pusat Pene/itian don Pengembangan Tekn%gi Maju il. Babarsari Kotak Pas 1008, Yogyakarta 55010
ABSTRAK
Optimasi Indeks Bias don Keteba/an Lapisan Anti Refleksi TCO Sebagai Jende/a Se/ Surya a-Si.:H. Te/ah di/akukan deposisi /apisan tipis ZnO:A/ pada substrat kaca dengan metode sputtering DC don karakterisasi
sifat flsisnya. Struktur krista/ /apisan yang dikarakterisasi dengan XRD menunjukkan bahwa /apisan tipis
ZnO:A/ ada/ah po/ikrista/ yang terorientasi dengan sumbu-c tegak /urus pada permukaan substrat, don orientasi krista/ografl dipengaruhi o/eh suhu substrat don konsentrasi doping A/]OJ' Morf%gi permukaan /apisan tipis ZnO:A/ ditentukan dengan SEM dan hasi/nya memper/ihatkan bahwa ukuran butir bertambah dengan naiknya konsentrasi doping A/]OJ dan terdistribusi secara merata. Hasi/ ana/isis komposisi unsur dengan EDS diketahui bahwa komposisi /apisan tipis ZnO:A/ pada konsentrasi doping A/]OJ 2%, tekanan 6 x 10-] torr, waktu deposisi 1,5 jam dan suhu substrat 450 .C ada/ah 43,55% atom Zn, 42,59% atom 0 dan 3,11% atom A/. Sifat optis /apisan tipis ZnO:A/ tersebut ditentukan dengan spektrofotometer UV-Vis dan hasi/nya menunjukkan bahwa transmitansinya menurun dengan meningkatnya suhu substrat pada konsentrasi doping A/]OJ 2%. dan transmitansi rata-rata /apisan tipis ada/ah 85% da/am rentang panjang
ge/ombang 350 -1./00 nm. Penambahan aluminium da/am /apisan tipis ZnO meningkatkan ni/ai indeks
bias don cenderung mempunyai ni/ai J ,9 pada suhu substrat rendah, don ni/ai 2,3 pada suhu substrat tinggi dan keteba/an orde 0,73 .urn do/am daerah tampak.
Kata Kunci : indeks bias, anti refleksi TCO, krista/ografl, morf%gi
ABSTRACT
The Refractive Index Optimization and the Thickness of TCO Anti-Reflection Film for a-Si:H Solar Cell Window. The ZnO:AI thin films were prepared on the glass substrate by using the DC sputtering method and its physical properties were characterized. The crystalline structure of the films were characterized by XRD. And it showed that the deposited ZnO:AI thin films are polycrystalline of c-axis orIented which perpendicular to the surface of substrate and the crystallographic orientation was influenced by substrate temperature and the AI]Oj doped concentration. The surface morphology of ZnO:AI thi;1 films were determined by SEM and the result showed that the grain size increase with increasing of ;'.1]Oj doping concentration and distributed homogeneously. The result of element composition analysis by 5DS. It was found that the composition of ZnO:AI thin films at AI]Oj doping concentration of 2%. pressure of 6 x 10-] torr, deposition time of 1,5 hours and substrate temperature of 450 DC was 43.55 at. % Zn, 42.59 at. % 0 and 3.11 at.%AI. The optical properties ofZnO:AI thin films were determined by UV-Vis spectrophotometer and the result exhibit that transmittance of ZnO: Al thin films decrease with increasing of substrate temperature at AI]Oj doping concentration of 2% and the average transmittance of the films is 85% in the wavelength range of 350 -1,100 nm. The aluminium incorporation at ZnO thin films raises the value of the refraction index, and tending to get a value of 1.9 at lower substrate temperature and a value of 2.3 for high subst~ate temperature and the thickness ofO. 73.urn in the visible region.
Key Words :refractive index, TCO anti-reflection, crystallography, morphology
PENDAHULUAN
transistor), fotodetektor, rangkaian hibrid daD gelsurya lapisan tipis. Sel surya berbasis lapisan tipis yang menarik minat para peneliti daD ka!angan industri saat ini adalah gel surya a-Si (silikon amort) dan gel surya dari bahan non semikonduktor seperti CuInSe2 (CIS). Sel surya a-Si tersebut mempunyai beberapa keunggulan antara lain proses pern-buatannya lebih efisien daD memerlukan sedikit I saat ini teknologi lapisan tipis dan
pernanfaatalU1ya telah berkembang sangat pesat, dan lapisan tipis yang sedang diteliti dan dikembangkan secara intensif adalah dalam bidang semikonduktor untuk pembuatan piranti elektronika, seperti transistor lapisan tip is (thin film
~--Prosiding Pertemuan dan Presentasi I/miah Tekn%gi Akse/erator dan Ap/ikasinya Va/. 5, No. J. Oktober 2003 ..252 -260
bahan sehingga harganya lebih murah, dapat
didepositkan atau dibentuk pada permukaan substrat kaca atau metal, akan tetapi kekurangannya adalah efisiensi konversi energinya masih rendah clan barn mencapai nilai sekitar 13%[1], Hingga saat ini masih banyak di!akukan penelitian untuk meningkatkan efisiensi konversi energi sel surra a-Si dengan cara mencari jenis bahan TCO (Transparent Conductive Oxide) clan memperbaiki kualitasnya sebagai lapisan jendela clan elektrode depan yang transparan [2],
mempunyai titik leleh tinggi, hampir semua bahan padat seperti semikonduktor, logam dan paduannya, keramik maupun isolator dapat dideposisikan, lapisan yang terbentuk mempunyai daya lekat yang lebih kuat, dan ketebalan lapisan dapat dikendalikan secara akurat. Karakterisasi sifat fisisnya meliputi orientasi kristal dianalisis menggunakan XRD (X-ray Diffraction), mofologi permukaan lapis an dan kom-posisi unsur diamati menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) yang dikopel dengan EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer), sedangkan sifat optisnya ditentukan menggunakan spektro-fotometer UV -Vis. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengoptimasikan konsentrasi doping Al2O3 clan pengaruh suhu substrat serta waktu deposisi terhadap lapisan tipis ZnO:AI yang kristal-kristalnya terorientasi pada sumbu-c clan tegak lurns permukaan substrat, clan mempunyai sifat-sifat optis yang baik dengan nilai indeks bias clan ketebalan optimum, sehingga ZnO:Al dapat dimanfaatkan untuk lapisan anti refleksi TCO sebagai jendela gel surya a-Si:H.
Bahan TCO pada umumnya dibuat dari bahan semikonduktor yang memiliki celah pita lebar, seperti oksida-oksida logam dari indium, tin, kadmium, seng clan paduannya[3J. Bahan TCO yang umumnya digunakan untuk jendela clan elektrode gel surya bermutu tinggi adalah ITO (Indium Tin Oxide) yang terdiri dari campuran antara SnO2 clan In203 yang memiliki resistivitas lebih kecil dari 1,5 x 10-4 ,(2cm. Akan tetapi pemakaian ITO terbatas karena indium harganya mahal clan laju deposisinya rendah[4J. SnO2 sudah digunakan untuk bahan TCO pada set surya, namun pemakaian SnO2 juga terbatas karena resistivitasnya lebih tinggi dari ITO, suhu penumbuhannya tinggi sekitar 500 DC daD te~adi
degradasi sifat-sifat optik dalam plasma hidrogen sJ.
TATAKERJADANPERCOBAAN
Penelitian yang dilakukan beberapa tahun tcrakhir ini 1:erhubungnn dengan pengembangan bahan TCO altematif yang memiliki resistivitas rendah, sifat optiknya (transmitansi clan indeks bias) bagus clan sebanding dengan ITO. Bahan TCO altematif yang telah berhasil diuji adalah ZnO (Zinc Oxide) karena resistivitasnya yang rendah, dapat clitumbuhkan pada suhu substrat relatif rendah sekitar 200 -250 °C dibandingkan dengan SnO2 atau ITO, stabilitasnya baik dalam plasma bidrogen clan harganya murah[6]. Pemanfaatan lapisan tipis ZnO tersebut disebabkan karena ZnO adalah bahan oksida yang mempunyai sifat listrik, sifat optik dan piezoelektrik yang khas, semikonduktor intrinsik tipe-n dengan celah pita energi sekitar 3,2 eV, dan inempunyai strktur kristal wurtzite. Sifat-sifat yang menarik daTi bahan ZnO lainnya adalah anisotropi dalam struktur kristalnya, struktur cacat non stoichiometric, transparansi optik dalam daerah tampak (visible) dan indeks biasnya tinggi[7].
Persiapan Bahan daD Pcralatan Pcnclitian
Dalam penelitian ini bahan target yang digunakan adalah serbuk ZnO dan serbuk Al2O3 dengan kemurnian 99,98%. Target ZnO:Al dibuat dalam beberapa konsentTasi doping Al2O3 yang berbeda-beda, rnasing-rnasing dengan konsentTasi 1 %, 2%, dan 3% atom aluminium. Masing-masing
bahan target tersebut dicarnpur secara merata,
kemudian dipanaskan pacta suhu 600 °C selarna 15 menit. Serbuk panas tersebut selanjutnya ditekan
dengan tekanan sebesar 17 kN/m2 sehingga
ber-bentuk pellet dengan diameter 60 rom clan teba! sekitar 2 mm, kemudian pellet dipanaskan lagi pada suhu 650 °c selama satu jam, clan target yang terbentuk berdiameter 60 mm dengan tebal 2 rom.
Bahan substrat kaca dipotong dengan ukuran 10 mm x 25 rnm, dibersihkan dengan air, deterjen clan alkohol dalam ultrasonic cleaner. Substrat dikeringkan dalam oven, selanjutnya dirnasukkan dalam plastik klip clan disimpan dalam desikator.
Teknik deposisi lapisan tipis yang digunakan untuk menghasilkan bahan lapisan tipis pada berbagai macam substrat antara lain adalah sputtering, spray pyrolysis, ion plating, evaporasi clan CVD (Chemical Vapor Deposition). Dalam penelitian ini dilakukan deposisi lapisan tipis ZnO:AI yang didepositkan pada permukaan substrat kaca dengan metode DC sputtering, karena teknik ini
mempunyai beberapa kelebihan antara lain adalah dapat menghasilkan lapisan tipis daTi bahan yang
Peralatan yang digunakan untuk proses deposisi lapisan tipis ZnO:Al adalah DC sputtering yang komponen utarnanya terdiri dari tabung silinder yang di dalarnnya terpasang elektrode, pada katode dilengkapi dengan sistem pendingin target, sedangkan pada anode dipasang sistem pernanas substrat clan pengatur suhu; sistem vakum yang
-~
---OPTIMASI INDEKS BIAS DAN KETEBALAN LAPISAN ANTI REFLEKSI TCO SEBAGAI JENDELA SEL SURrA a-Si:H
Sudjatmoko, dkk.
Volume 5. Nomor J. Ok/obey 2003 ISSN 1411-1349
terdiri daTi pompa rotari clan pompa turbomolekul; sistem tegangan tinggi DC yang menghasilkan tegangan tinggi hingga 5 kV clan sistem pengatur masukan gas.
Proses Deposisi Lapisan Tipis ZnO:Al
Proses deposisi lapis an tipis ZnO:AI dilakukan dalam gas argon yang dialirkan ke dalam tabung lucutan clan dipertahankan pada tekanan 6 x
10.2 torr. Dalam penelitian ini suhu substrat divariasi daTi 100 °C hingga 450 °c dengan interval suhu 50 °c, clan waktu deposisi masing-masing adalah 0,5 jam, 1,0 jam, 1,5 jam clan 2,0 jam. Sedangkan target yang digunakan masing-masing adalah ZnO:AI dengan konsentrasi doping A12O3 sebesar 1 %, 2% clan 3%.
Karakterisasi Basil Lapisan Tipis ZnO:AI
Karakterisasi hasillapisan tipis ZnO:Al yang terdeposit pada substrat kaca meliputi penentuan orientasi pertumbuhan kristal yang dilakukan dengan XRD, morfologi permukaan lapisan clan komposisi unsur yang terdeposisi diamati menggunakan SEM yang dikopel dengan EDS. Sifat optis lapisan tipis ZnO:Al ditentukan menggunakan spektrofotometer UV-Vis.
cacah, clan hanya disertai dua puncak (103) dan
(004); sedangkan pada konsentrasi doping A12O3 3% teramati puncak difraksi (002) dengan intensitas 9.177,10 cacab yang disertai dengan puncak-puncak (100), (101), (110), (103), (112) dan (004) dengan intensitas puncak (112) sangat kecil.
Pola difraksi sinar-X pada Gambar 1 tersebut memperlihatkan intensitas yang re1atif besar pada puncak (002) dibandingkan dengan puncak-puncak 1ainnya. Intensitas puncak difraksi (002) yang paling tinggi diperoleh pada konsentrasi doping Al2O3 2% dan mengalami penurunan sangat signi-flkan pada konsentrasi doping Al2O3 3%. Penurunan tinggi puncak (002) berhubungan dengan pemben-tukan partikel AI2O3 yang tersegregasi pada batas butir akibat kandungan Al yang berlebihan dalam lapisan pada suhu tinggi dan meughalangi pertum-buhan kristal ZnO [3J. lntensitas puncak (002) meru-pakan indikasi terjadinya pertumbuhan kristal ZnO: Al yang terorientasi ke arab sumbu-c clan tegak lurus pada permukaan substrat. Orientasi sumbu-c 1apisan tipis ZnO:AI perlu diketahui karena bidang c daTi krista1-kristal ZnO:A1 berhubungan dengan bidang tumpukan padat clan mekanisme pertumbuh-an lapisan. Berdasarkan basil analisis difraktogram yang ditunjukkan pada Gambar I, Lerlihat bahwa pola difraksi sinar-X lapisr.n tipis ZnO:AI yang paling baik adalah pada konsentrasi doping Al2O3 2%, karena kristal-kristalnya lebih banyak
ter-orientasi ke arab sumbu-c tegak lurus pada permukaan substrat.
Gambar 2 menunjukkan pola difraksi sinar-X lapisan tipis ZnO:AI yang terdeposit pada permuka-an substrat kaca dengan tekanan 6 x 10.2 torr, waktu deposisi 1,5 jam clan konsentrasi doping A12O3 2%, untuk variasi suhu substrat 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °C clan 450 °c. Pola difraksi sinar-X lapis all tipis ZnO:AI yang didepositkan pada substrat kaca dengan suhu substrat 100 °c menunjukkan puncak difraksi (002) dengan intensitas sangat rendah disertai deng~ puncak-puncak (100), (101), (110) dan (103), serta puncak (112) dengan intensitas sangat kecil. Ketika suhu substrat dinaikkan mencapai 200 °c teramati puncak (002) yang disertai puncak-puncak (100), (101) dan (103). Pada suhu 300 °c memper1ihatkan puncak (002) dan puncak-puncak lain (100), (101), (110), dan puncak (103) yang intensitasnya sangat kecil. Pola yang serupa juga teramati pada lapisan tipis ZnO:AI dengan suhu substrat 400 °c, tetapi muncul puncak (004), sedangkan pada suhu substrat 450 °c hanya teramati 3 puncak difraksi yang bersesuaian dengan puncak (002), (103) clan (004). Pada suhu substrat 450 °c terjadi peningkatan intensitas puncak (002) sangat dominan yang menunjukkan bahwa kristal lapisan tipis ZnO:AI terorientasi pada sumbu-c dan tegak lurus permukaan substrat.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian ini telah dilakukan deposisi lapisan tipis ZnO:Al sebagai bahan TCO dengan menggWlakan teknik sputtering DC Wltuk berbagai variasi parameter, yaitu konsentrasi doping A12O3, suhu substrat, tekanan gas argon dan waktu deposisi. ZnO:Al adalah suatu padatan yang terkoordinasi secara tetrahedral dimana kristalnya dalam struktur wurtzite. Apabila ZnO:Al didepositkan pada suatu substrat akan memperlihatkan kecenderungan kuat Wltuk tumbuh dengan sumbu kristalnya (sumbu-c) tegak lurus pada permukaan substrat.
Gambar 1 memperlihatkan pola difraksi sinar-X lapisan tipis ZnO:A1 yang terdeposit pada permukaan substrat kaca pada kondisi tekanan gas argon 6 x 10-2 torr, waktu deposisi 1,5 jam dan suhu substrat 450 DC, Wltuk variasi konsentrasi doping Al2O3 1 %, 2% dan 3%. Berdasarkan analisis struktur kristallapisan tipis ZnO:Al pada konsentrasi doping Al2O3 1 % terarnati bahwa pertumbuhan kristal ZnO:Al terorientasi pada arab sumbu-c yang tegak lurus pada permukaan substrat dengan pWlCak difraksi (002) yang nilai intensitasnya 34.620,44 cacah, disertai beberapa pWlCak (100), (101), (110) daD (004) yang berasal dari rase hexagonal ZnO. Pada konsentrasi doping A12O3 2% teramati intensitas pWlcak difraksi (002) adalah 41.568,41
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 5, No. J. Oktober 2003.. 252 -260
Gambar 1. Pola difraksi sinar-X lapisan tipis ZnO:Al yang didepositkan pada substrat kaca untuk tekanan gas argon 6 x 10.2 torr, waktu deposisi 1,5 jam daD suhu substrat 450 °c dengan konsentrasi doping AIIOJ 1 %,2% daD 3%.
=nt.
A (t(X») 0 (()()2) 0 (101) .(102) c (110) 0 (103) .(112) <> (004) mJJ. .~ 11.1W 2$J},~
~~~~~~~~~
,0 <> ~..- ~ ~... ~ """. -A.~,~~ ~ II _111\. Q.:~ ~==. InO.~~j.'C ::2;: ---InC: 1oJ~, D 7J\n'~'Xt.~..-\.,.~~ .~. _'O_. ~-~-.! ~C~O:_~:~ ~~.:-Ij-. ...I ..., , .-I ..., , .-I -., .,', I ,.. , ..,...".. , -I
ZJ 31 ~ W ~. 10 ~ ~D
~J~II~'
Gambar 2. Pol a difraksi sinar-X lapisan tipis ZnO:AI pada konsentrasi doping AI2O3 2% dengan tekanan gas argon 6 x 10-1 torr, waktu deposisi 1,5 jam pad a berbagai suhu substrat 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °C daD 450 °C.
tipis ZnO:Al. Peningkatan intensitas puncak (002) menunjukkan bahwa struktur kristal lapisan tipis ZnO:Al menuju ke orientasi yang bersesuaian (preferential orientation), sehingga kristal-kristal yang mempunyai orientasi pada puncak (002)
bertambah jumlahnya.
Pola difraksi sinar-X lapisan tipis ZnO:AI yang ditunjukkan pada Gambar 2 terlihat intensitas puncak (002) meningkat terhadap kenaikan suhu substrat. Hal ini disebabkan karena difusi pennukaan yang terjadi pada lapisan semakin bertambah, terutama pada suhu substrat lebih tinggi dan mempengaruhi peningkatan kristalinitas lapisan
255
--OPTIMA,S'I INDEKS BIAS DAN KETEBALAN LAPISAN ANTI REFLEKSI TCO SEBAGAI JENDELA SEL SURrA a-Si:H Sudiatmoko. dkk.
Struktur mikro lapisan tipis ZnO:AI yang terdeposit pada permukaan substrat kaca dikarak-terisasi menggunakan SEM, dan basil pengamatan SEM tersebut berupa foto-foto yang ditampilkan pada Garnbar 3 clan 4. Hasil analisis SEM untuk lapisan tipis ZnO:AI dengan konsentrasi doping Al2O3 2% pada Garnbar 3(a) memperlihatkan adanya keseragaman struktur butir, narnun morfologi permukaannya kurang rata atau masih terdapat kekosongan, sedangkan garnbar 3(b) menarnpilkan tarnpang lintang lapisan tipis ZnO:AI yang terdeposit pada substrat k~ca dengan ketebalan orde 0,73 J.1m.
yang terdistribusi secara homogen dengan morfologi permukaannya tampak merata, sedangkan Gambar 4(b) menampilkan tampang lintang lapisan tipis ZnO:AI yang terdeposit pada permukaan suustrat kaca. Berdasarkan basil pengarnatan SEM yang
ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4 terlihat bahwa prosentase penambahan doping Al2O3 mem-pengaruhi pertumbuhan inti daTi butir-butir columnar yang mengakibatkan terbentuknya butiran-butiran yang lebih besar pada suhu substrat 450 DC. Butir-butir tersebut akan twnbuh semakin besar dengan meningkatnya suhu, dan mereka saling bersentuhan satu sarna lain pada antarmuka
(interface) menjadi kolom-kolom yang berbentuk kerucut untuk menghasilkan struktur columnar yang lebih merata dan tersusun rap at (close packed). Gambar 4( a) menampilkan struktur mikro
lapisan tipis ZnO:Al dengan konsentrasi doping A12O3 3%. Hasil analisis SEM tersebut mem-perlihatkan bahwa ukuran butir bertambah besar
(a) (b)
Gambar 3. (a) Struktur mikro lapis an tip is ZnO:AI, (b) roto tampang lintang lapisan tip is ZnO:Al pada konsentrasi doping Al1O3 2% pad a tekanan 6 x 10.1 torr, waktu deposisi 1,5 jam daD suhu substrat 450 °c dengan perbesaran 5000 kali.
(a) (b)
Gambar 4. (a) Struktur mikro lapis an tipis ZnO:Al, (b) tampang lintang lapisan tip is ZnO:Al pada konsentrasi doping Al1O3 3% pada tebnan 6 x 10-1 torr, waktu deposisi 1,5 jam daD suhu substrat 450 °c dengan perbesaran 5000 bU.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 5, No. I, Oktober 2003.. 252 -260
Volume 5, Nomor I, Oktober 2003 l.\'.\'N 1411-1349 Komposisi unsur lapis an tipis ZnO:Al yang
terdeposit pada permukaan substrat kaca dapat diketahui dengan menggunakan EDS. Gambar 5 clan 6 masing-masing memperlihatkan spektrurn hasil EDS untuk lapisan tipis ZnO:Al dengan konsentrasi doping AI2O3 2% clan 3%. Kornposisi unsur pada permukr.an lapisan tip is ZnO:AI dengan konsentrasi doping AI2O3 2% adalah 43,55% atom Zn, 42,59% atCJm 0 clan 3,11 % atom AI, sedangkan komposisi unsur pada permukaan lapisan tipis ZnO:AI dengan
konsentrasi doping A12O3 3% adalah 36,49% atom Zn, 38,12% atom 0 clan 1,20% atom AI. Selain unsur Zn, 0 clan AI, muncul juga unsur-unsur Iainnya seperti Si dan Ca dengan prosentase cukup tinggi yang kemungkinan berasal daTi bahan substrat kaca, karena Iapisan yang terdeposit pada permukaan substrat kaca sangat tipis sehingga pada saat uji komposisi muncu1 unsur-unsur daTi bahan
substrat.
!~t~
::ff.!
SIK
I
II~ KJ I AlA Z~~O K ~~~ InK~~~~~ -It ~ ~
1.00 2.00 3.00 ~ 8.00 8.00 7.00 8.00 '.00 10.00 1100 12.00 I
Gambar 5. Spektrum basil EDS lapisan tipis ZnO:AI dengan konsentrasi doping Al2O3 2% yang terdeposit pad a substrat kaca pada tekanan 6 x 10.2 torr, waktu deposisi 1,5 jam daD suhu substrat 450 °C.
Spektrum basil EDS lapisan tipis ZnO:AI dengan konsentrasi doping Al1O3 3% yang terdeposit pada substrat kaca pada tekanan 6 x 10.1 torr, waktu deposisi 1,5 jam dan subu substrat 450 °C.
Gambar 6.
OPT/MAS/ /NDEKS B/AS DAN KETEBALAN LAP/SAN ANT/ REFLEKS/ TCO SEBAGA/ JENDELA SEL SURrA a-Si:H Sudiatmoko, dkk.
jSSN 1411-1349 Volume 5. Nomor Oktober 2003
suhu substrat dalam rentang panjang gelombang 350 -1.100 DIn. Hal ini disebabkan karena peng-gabungan Al dalam lapisan tipis ZnO. Peningkatan
suhu substrat rnempengaruhi pembentukan defect dalam kristal Zno, seperti kekosongan oksigen clan sisipan Zn, sedangkan atom Al akan mensubstitusi pada tempat-tempat Zn. Substitusi atom Al dalam lapisan tipis Zno semakin mudah terjadi dengan meningkatnya suhu substrat clan menghasilkan butiran yang lebih besar. Substitusi atom Al yang
semakin bertambah dengan meningkatnya suhu substrat menyebabkan nilai transmitansi lapisan tipis Zno menjadi turun, karena Al merupakan logam yang bersifat memantulkan cahaya datang clan reflektansinya cukup tinggi di daerah tampak. Transmitansi rata-rata lapisan tipis ZnO:Al pada konsentrasi doping Al2O3 2% untuk varia~i suhu substrat sekitar 85% dalam rentang panjang gelombang 35 -1.100 DIn.
Karakterisasi sifatoptik lapisan tipis ZnO:Al meliputi penentuan transparansi dan nilai indeks bias lapis an. Transparansi lapisan tipis ZnO:AI di-karakterisasi untuk mengetahui lapisan tipis tersebut sesuai untuk aplikasi jendela sel surra, daD transparansi tersebut dinilai dati transmitansi yang diukur dengan spektrofotometer UV-Yis yang hasilnya ditunjukkan dalam Gambar 7.
Gambar 7 menunjukkan spektrum trans-mitansi sebagai fungsi panjang gelombang dati lapisan tipis ZnO:Al dengan konsentrasi doping A12O3 2% untuk variasi suhu substrat. Gambar 8 memperlihatkan hubungan antara suhu substrat terhadap transmitansi lapisan tipis ZnO:AI dengan konsentrasi doping Al2O3 2% pada berbagai panjang gelombang. Hasil pengukuran transmitansi yang ditunjukkan dalam Gambar 7 dan 8 terlihat bahwa transmitansi lapisan tipis ZnOAl dengan konsentrasi doping A12O3 2% menurun der.gan meningkatnya
100 80
l .
'; 60.,
's 2 40.
~..
20 .0 l00"C ' 200.C If
...~=I
300"C
400"C --4SO"C 350 SOO 650 ~ 9SO 1100Panjan& &eloml8D& (am)
Gambar 7. Spektrum transmitansi sebagai fungsi panjang gelombang dari lapisan tip is ZnO:Al dengan konsentrasi doping AlzOJ 2% untuk variasi suhu substrat 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °c daD 450 °c.
100 80 60 40"20
~
'-' "2 oS's
M ~~
0 0 100 200 300 Subu .ubstrat (C) 400 50()Gambar 8. Hubungan antara suhu substrat terhadap transmitansi lapisan tipis ZnO:Al dengan konsentrasi doping Al1O3 2% pad a berbagai panjang gelombang.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 5, No.1, Oktober 2003,' 252 -260
Volume 5, Nomor J, Oklober2003 ISSN /4//-/349 Gambar 9 menampilkan grafik hubungan
indeks bias lapisan tipis ZnO:Al dengan konsentrasi doping A12O3 2% terhadap variasi suhu substrat pada tekanan 6 x 10-2 torr clan waktu deposisi 1,5 jam. Berdasarkan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 9 terlihat bahwa nilai indeks bias lapisan tipis ZnO:Al meningkat dengan naiknya suhu substrat, namun fluktuasi nilai indeks bias terjadi pada cuplikan yang dideposisi dengan suhu substrat 200 °C, 300 °C clan 350 °c. Peningkatan nilai indeks bias Iapisan tipis ZnO:Al terhadap suhu substrat disebabkan karena
penggabungan Al dalam Iapisan tipis ZnO mening-katkan ukuran butir clan mempercepat pertumbuhan kristal ke arab bidang (002). Ukuran butir kristal akan meningkat dengan ketebalan Iapisan clan mempengaruhi kerapatan Iapisan tipis yang terdeposit pada permukaan substrat. FIuktuasi nilai indeks bias yang terjadi pada suhu substrat 200 °C,
300 °C clan 350 °c disebabkan karena kerapatan
lapisan tipis ZnO:AI menurun akibat terbentuknya
kekosongan clan pori-pori mikro pada permukaan
substrat.
0
100
200
300
S1J1tu robstrat [OC]
3]0
400
Gambar 9. Crafik hubungan indeks bias lapisan tipis ZnO:AI dengan
konsentrasi doping AI1O3 2% terhadap variasi suhu substrat pad a tekanan 6 x 10.1 torr dan waktu deposisi 1,5 jam.
Grafik hubungan indeks bias terhadap suhu substrat dan lapisan tipis ZnO:Al yang ditampilkan pada Gambar 9 mernperlihatkan bahwa nilai indeks bias cenderung memiliki nilai sekitar 1,9 pada suhu
rendah, sedangkan untuk suhu substrat tinggi
nilainya sekitar 2,3. Hasil indeks bias lapisan tipis ZnO:Al tersebut hampir sarna dengan basil yang dilaporkan oleh peneliti lain yang mendepositkan ZnO:Al menggunakan teknik spray pyrolysis [8]. Nilai indeks bias lapisan tipis ZnO:Al yang mereka peroleh pada suhu substrat tinggi cenderung memiliki nilai 1,9 clan 2,0; sedangkan suhu substrat rendah nilainya 1,8 clan 1,9 dalam rentang panjang gelombang 400 -900 nrn. Berdasarkan basil-basil yang diperoleh seperti tersebut diatas, lapisan tipis ZnO:Al yang didepositkan pada substrat kaca dengan konsentr'lsi doping Al203 2%, tekanan gas argon 6 x 10-2 torr, waktu deposisi 1,5 jam clan pada
suhu substrat 450 °C memberikan optimasi sifat optis, terutarna nilai transmitansi daD indeks bias, yang sesuai untuk lapisan anti refleksi TCO sebagai jendela set surra a-Si:H.
KESIMPULAN
Berdasarkan basil clan pembahasan yang disajikan diatas dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut.
.Lapisan tipis ZnO:Al yang didepositkan pada suhu substrat 450 °c, tekanan gas argon 6 x 10.2 torr, waktu deposisi 1,5 jam, clan konsentrasi doping Al2O3 2% kristal-kristalnya terorientasi kuat pada sumbu-c clan tegak lurns pacta per-mukaan substrat.
---OPTIMASI INDEKS BIAS DAN KETEBAUN LAPIS AN ANTI REFLEKSI TCO SEBAGAI JENDELA SEL SURrA a-Si:H
Sudjatmoko, dkk.
Morfologi peimukaan lapisan tip is ZnO:Al yang terdeposit pada permukaan substrat kaca me-miliki ukuran butir lebih besar dan terdistribusi secara merata. Sedangkan komposisi lapisan tipis ZnO:Al yang te'rdeposit pada substrat adalah 43,55% atom Zn, 42,59% atom 0 dan 3,11% atom AI.
Penambahan doping A12O3 2% pada ZnO menurunkan nilai transmitansinya dengan nilai transmitansi rata-rata sekitar 85% dalam rentang panjang gelombang 350 -1.100 nm. Indeks bias lapisan tipis ZnO:Al meningkat dengan ber-tambahnya suhu substrat dan cenderung mem-punyai nilai 1,9 pada suhu substrat rendah dan 2,3 pada suhu substrat tinggi, serta ketebalan orde 0,73 J:lm dalam daerah tampak.
[4] SZYSZKA, B., Transparent and Conductive Aluminium Doped Zinc Oxide Films Prepared
by mid-frequency Reactive Magnetron Sput-tering, Thin Solid Films, 351, 1999, 164-169. [5] YAMADA, A. and KONAGAI, M., Application
of Transparent Conducting ZnO Films to a-Si Solar Cells, J. Appl. Phys. 32(9), 1993,
3764-3769.
[6] TOMINAGA, K., Transparent Conductive ZnO Films Preparation by Alternating Sputtering of ZnO:AI and Zn or Al Targets, Thin Solid Films, 334, 1998,35-39.
[7] VAN DE POL, F.C.M., Thin Films ZnO -Properties and Application, J. Ceralnic Bulletin, 69 (12), 1990,741-745.
[8] SANCHEZ, J.A., Electrical and Optical Properties of Aluminium-doped ZnO Thin Films Prepared by Spray Pyrolysis, Tl1ul Solid Films 333, 1998, 196-202.
UCAP AN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Sri Yani Purwaningsih, mahasiswa S2 Program Studi Ilmu Fisika, Jurusan Ilmu-ilmu Matematika clan Pengetahuan Alam, Program Pasca Sarjana, Universitas Gadjah Mada, yang melakukan penelitian tugas akhir di bawah bimbingan penulis, yang telah membantu melakukan
eksperimen clan pengambilan data, serta melakukan evaluasi data-data basil eksperimen. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Sumadji dan Sdr. Slamet Riyadi yang telah membantu melakukan persiapan peralatan yang digunakan dalam penelitian ini. Semoga amal kebaikan Saudara sekalian mendapatkan balasan dari Allah SWT.
TANYAJAWAB
Djoko Sujono-Secara opus, apa saja syaratnya agar supaya lapisan ZnO:Al dapat berfungsi sebagai jendela set surya ?
-Apakah lapisan ZnO:Al hasil penelitian ini sudah sesuai sebagai jendela set surya ?
ACUAN
Sudjatmoko
-Paling tidak ada tiga syarat bahwa secara optis lapisan ZnO:AI dapat berfungsi sebagai jendela gel surra, yaitu nilai transrnitansinya di atas 85% dan nilai indeks biasnya dalam orde 2,2 rnasing-masing pada daerah tarnpak, serta pertumbuhan kristal ZnO:AI terorientasi ke arab surnbu-c yang tegak lurus pada perrnukaan substrat.
-Berdasarkan optiritasi sifat-sifat optis ZnO:Al yang telah dilakukan, rnaka diperoleh bahwa lapisan tip is ZnO:AI mempunyai sifat optis yang sesuai untukjendela sel surra.
[1] TAKAHASHI, K., and KONAGAI, M., Amorphous Silicon Solar Cells, North Oxford Academic Publishers Ltd., Tokyo, Japan, 1986. [2] MINAMI, T., Highly Conductive and
Transparent Zinc Oxide Films Prepared by RF Magnetron Sputtering Under an Applied External Magnetic Field, Appl. Phys. Lett. 41(10),1982.
[3] GORDON, R.G., Criteria for Choosing Transparent Conductors, Mrs. Bulletin August, 2000,52-57.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 5. No. I. Oktober 2003: 252 -260
