Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN 1411-2213
LAPISAN TIPIS SiN UNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI
DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA
Trimardji Atmono, Sudjatmoko daD Yunanto
Puslitbang Teknologi Maju (P3TM)-BATAN Jl. Babarsari PO Box 1008 Yogyakarta
ABSTRAK
LAPISAN TIPIS SiNUNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA. Telah dilakukan penelitian pembuatan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara untuk gel surya. Dalam hal ini diperlukan bahan lapisan SiN yang mempunyai transmitansi yang tinggi dan dapat memisahkan medium udara dengan lapisan tipis elektroda transparan ZnOAI. Pembuatan lapisan tipis SiN dilakukan dengan metode RF sputtering, target Si yang ditempatkan pacta kathoda ditembaki dengan ion-ion argon. Untuk pembentukan lapisan SiN dialirkan gas nitrogen sehingga terjadi proses reaktif sputtering. Pengukuran prosentase transmitansi dilakukan dengan menggunakan UVVis. Ohm meter digital digunakan untuk mengukur tahanan lapisan tipis ZnOAl, sebelum dan sesudah diberi lapisan tipis SiN Dari basil pengukuran didapat transmitan tertinggi 98 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAI sebesar 48 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAl/SiN 3,4 % pacta kandungan unsur Si 4,4 % dan N 2,5 %.
Kata kunci : Lapisan tipis SiN, gel surya, metode RF sputtering
ABSTRACT
SiNTIDN FILM FOR THE ANTIREFLEXION LAYER AND AIR GAP ON THE SOLAR CELL. The research on the prepairing of SiN-thin films tor applying as the anti reflexion layer as well as for protection against oxidation of the solar cell has been done. The following behaviours are needed for this applications, namely high transmittance and the capability to separate the transparent electrode ZnOAl from medium of air. The preparation of SiN thin films are carried out by using RF-Sputtering method, target S was placed at the cathod and bombarded by Argon ions. To form the SiN layer, the Nitrogen gas was flowed to the sputter chamber, so that the reactive sputtering is occurred. The measurement of the transmittance was done with the UVVis. The digital ohm-meter was used to measure the resistance of thin film ZnOAI, betore and after the sputtering of "wearing" of SiN layer. The results showed the highest transmittance of 98%. The raising of the resistance was 48%, which occurred at the 4.4% and 2.5% content of Si and N, respectively.
Key words: SiN thin film, solar cell, RF sputtering method
PENDAHULUAN
Pada tahun terakhir banyak dilakukan penelitian lapisan tipis untuk pembuatan sel surya. Sampai saat ini baru dapat dibuat sel surya yang mempunyai efisiensi masih relatif rendah. Salah satu penyebab masih rendahnya efisiensi sel surya adalah karena elektroda yang digunakan masih beropa parol (grating) yang hampir menutup sebagian permukaan bahan sernikonduktor (biasanya daTi bahan silikon). Dengan dernikian sinar yang masuk tidak selurohnya diubah menjadi daya listrik, sehingga dapat meningkatkan arus padasel surya[I,2].
Lapisan tipis sel surra menggunakan susunan SiN/ZnOAI/(a-Si:H)B/a-Si/(a-Si:H)P/ Ag. Pada lapisan tipis sel surra lapisan tipis SiN berfungsi untuk penyekat terhadap udara antara udara dan ZnOAl serta berfungsi juga sebagai lapisan anti refleksi[2,3].
Lapisan tipis yang mempunyai sifat anti refleksi salah satunya adalah lapisan tipis SiN (silikon nitride). Lapisan tipis ini adalah lapisan tipis SiN. yang berasal
dari senyawa an tara unsur Si dan N. Senyawa ini bernpa
bahan keramik yang merupakan paduan antara
semikonduktor dan unsur bukan semikonduktor maupun logam. Senyawa ini mempunyai ikatan ionik atau ikatan kovalen, sehingga sifatnya berbeda dengan semikonduktor. Biasanya bersifat isolator, belling tembus cahaya (transmitannya tinggi) dan stabil pada
suhu yang tinggi. Ketahanan terhadap suhu tinggi ini disebabkan karena mempunyai ikatan ionik. Bahan keramik biasanya mempunyai strnktur kristalin, akan tetapi berlainan dengan logam. Strnktur keramik adalah sedemikian sehingga tidak benyak elektron bebasnya seperti pada umumnya sifat logam penghantar. Elektron tersebut dibagi dengan atom yang berdekatan dalam ikatan kovalen atau berpindah dari atom yang satu ke atom yang lain membentuk ikatan ion, atom terionisir danbermuatan [5].
ZnO adalah bahan semikonduktor ripe N, dalam struktur kristal ZnO terkandung atom-atom Zn dan 0
Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Refleksi dan Penyekat Udara Pada Sel Surya (Trimardji Atmono)
TATA KERJA
Untuk mendapatkan lapisan tipis SiN yang baik yang mempunyai sifat anti refleksi maka dalam penelitian dengan metode RF sputtering dilakukan variasi komposisi unsur Si dan N, daya RF antara 155 watt 175 watt dan jarak elektroda daTi 1 cm sampai 3 cm. Sebagai sputter gas adalah Argon dengan kemurnian 99,9%, sedangkan sebagai gas reaktifadalah Nitrogen. Tekanan gas dan waktu deposisi dibuat tetap yaitu masing-rnasing 8,5 x 10-2 torr dan 20 menit. Untuk membuat lapisan tipis ZnOAl substrat kaca dipotong dengan ukuran 1 cm x 1 cm, ditempatkan pacta anodal ground. Target ZnO dan Al ditempatkan pacta katoda dan substrat kaca pacta anoda. Sedangkan untuk membuat lapisan tipis SiN target Si dipasang pacta katoda, untuk menghasilkan lapisan tipis SiN dialirkan gas N yang secara simultan diionkan dengan teganganRF.
Untuk mengamati sifat refleksi, dilakukan pengukuran transmitansinya dengan menggunakan UV -Vis. Alat ini pada dasamya terdiri dari somber cahaya, monokromator, temp at cuplikan, detektor cahaya, penguat tegangan dan penampil. Sumber cahaya terdiri daTi lampu lucutan hidrogen, panjang gelombang 150 nm sampai dengan 350 nm dan lampu wolfram, panjang gelombang 350 nm sampai 1.000 om. Alat yang digunakan dapat divariasi panjang gelombangnya daTi
190 nm sampai dengan 950 om. Cahaya dilewatkan pacta monokromator, sehingga akan keluar cahaya dengan panjang gelombang tunggal. Monokrornator ini diputar secara perlahan sehingga akan menghasilkan cahaya yang berubah panjang gelombangnya secara perlahan-lahan dan ditangkap oleh detektor rota elektrik. Keluaran daTi detektor ini diperkuat dengan amplifier daD hubungan antara panjang gelombang dan transmitansi daTi cuplikan ditampilkan oleh komputer.
Komposisi dari target pacta umumnya tidak sarna dengan lapisan tipis yang dihasilkan karena proses sputtering yang kompleks dan melibatkan banyak parameter. Unsur yang terdeposisi pacta substrat dianalisis dengan metode APNC. Dalam pengamatan ini atom yang terdeposisi pacta substrat diiradiasi dengan neutron cepat 14 MeV daTi generator neutron dengan waktu tertentu Selama irradiasi neutron, sub.\"trat mengalami aktivitas peningkatan nomor massa inti atom, sehingga substrat bersifat radioaktif. Setelah berakhimya proses aktivasi, substrat yang telah bersifat radioaktif akan mengalami peluruhan dengan memancarkan sinar gamma. Tenaga sinar gamma yang dipancarkan menunjukkan nomor massa unsur substrat. Sinar gamma ini dianalisis menggunakan spektrometer garmna.
yang tidak seimbang. Ketidak seimbangan akan menimbulkan konduktivitas pacta ZnO. Kelebihan atom Zn (dibanding 0) dalam kristal ZnO, dimana atom Zn berfungsi sebagai donor, mengakibatkan ZnO akan bersifat sebagai konduktor .Selain itu ZnO mempunyai sifat transmitan pacta daerah cahaya tampak sekitar 90 %. Dengan demikian ZnO dapat digunakan sebagai TCO (Transparent Conducting Oxide) yaitu sebagai elektroda yang tembus cahaya. Tetapi ZnO-layer mempunyai kekurangan hila digunakan untuk elektroda transparan, yaitu bahwa lapisan tipis ZnO sebagai elektroda transfaran akan bereaksi dengan udara, sehingga akan menyebabkan penurunan konduktivitas ZnO, sebanding dengan lamanya waktu reaksi dengan udara (suatuketika akan terjadi kejenuhan). Hal ill akan menyebabkan sifatjatuh tegangan pacta elektroda yang akhimya mengakibatkan penurunan efisiensi sel surya[2].
Untuk meningkatkan efisiensi sel surya salah satu penelitian yang dikembangkan dengan cara pemberian lapisan tipis anti retleksi yang sekaligus untuk penyekat antara lapisan tipis TCO dan dengan udara. Dengan menggunakan lapisan anti retleksi maka hampir semua sinar datang akan masuk mengenai sambungan P-N, sehingga akan menghasilkan daya yang maksimum.
Untuk mendapatkan senyawa SiN atau membuat lapisan tipis SiN dilakukan dengan mencampur unsur Si dan N, dimana akan terjadi senyawa SiN yang mempunyai struktur kristal yang berbeda dengan struktur kristal Si. Lapisan tipis SiN dapat dibuat dengan berbagai macam metode antara lain: teknik evaporasi, teknik CVD dan teknik sputtering. Dalam makalah ini disajikan basil penelitian tentang pembuatan lapisan tipis SiN dengan teknik sputtering. Sebagai substrat dipilih kaca yang mempunyai transmitan yang tinggi, sedangkan untuk preparasi lapisan tipis SiN dipilih target Si dengan diameter 75 mm dan gas reaktif N dengan sputter gas Argon. Selain itujuga dibahas bagaimana pengaruh campuran unsur Si dengan N, daya RF dan jarak elektroda transmitansi, kekuatan penyekat antara TCO dengan udara dan komposisi unsur basil sputtering [5].
Tujuan daTi penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh paduan unsur, daya RF dan jarak elektroda terhadap transmitan lapisan tipis SiN dan kekuatan penyekat antara TCO dengan udara serta pengamatan komposisi unsur basil sputtering. Dengan melakukan variasi campuran gas N, daya RF dan jarak elektroda diperoleh lapisan tipis yang mempunyai prosentase transmitansi yang tinggi dan dapat membatasi antara lapisan tipis ZnOAI dengan udara. Selanjutnya diharnpkan basil penelitian ill dapat dikembangkan untuk mendapatkan bahan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat antara TCO dengan udara yang akan meneruskan cahaya tanpa dipantulkan dan akan menurunkan konduktivitas lapisan TCO.
BASIL DAN PEMBAHASAN
Pada Garnbar 1 disajikan prosentase transrnitansi
Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002
Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN 1411-2213
sebagai fungsi campuran gas N. Semakin banyak campuran gas N transmitansi lapisan tipis SiN semakin tinggi, hat ini disebabkan karena silikon merupakan zat padat yang mempunyai sifat memantulkan cahaya. Dengan bertambahnya campuran gas N (pertambahan flow-rate) maka mean free path daTi ion-ion AT dalam perjalanannya menuju target Si akan berkurang, sehingga akan mengasilkan sputter rate Si yang lebih kecil. Oleh karenanya sebagian besar daTi lapisan tipis SiN yang terbentuk di alas substrat terdiTi dari unsur N, sedangkan unsur Si semakin berkurang yang pada akhirnya efek pemantulan cahaya akan makin menurun. Penurunan efek pemantulan daTi unsur Si akan semakin menaikkan transmitansi lapisan tipis SiN. Peningkatan prosentase transmitansi ini disatu pihak akan menghilangkan efek pantulan tetapi dilain pihak menurunkan daya sekat yaitu memisahkan an tara medium udara dengan lapisan yang dilindungi akan berkurang.
Suatu logam mempunyai sifat memantulkan (refelektivitas) yang tergantung pacta respon frekuensi jenis logamnya dan juga tergantung pacta kekasaran
permukaan [2,3]. Cahaya yang mengenai permukaan suatu logam akan direfleksikanjika kedalaman rata-rata dan ketidak teraturan permukaan reflektor jauh lebih kecil daTi pacta panjang gelombang cahaya yang datang Transmitansi dari lapisan tipis SiN menurun tetapi daya sekat antara udara dengan lapisan tipis yang dilindungi yaitu ZnOAl akan semakin baik.
88 87 85 93 91 89 87
~~
""
~
co~
E
(/) co~
""
~
~
-I ..Seres 1 99~
l
cs
"E Ii) c~
~
jarak elektroda (cm)Gambar 3. Prosentase transmitan sebagai fungsi jarak elektroda
95
.)'"
93
~
Pada Gambar 2 disajikan grafik transmitansi sebagai fungsi daTi daya RF (pada grafik untuk kaca tanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin besar daya RF maka kerapatan ion plasma akan semakin tinggi [6]. Dengan demikian .sputter-rate akan meningkat. Dengan waktu deposisi daD jarak elektroda tetap, maka basil sputtering akan semakin naik yang akhimya menambah ketebalan lapisan tipis SiN. Dengan bertamhnya ketebalan lapisan tipis SiN tersebut maka prosentase transmitannya akan menurun. Penurunan ini terutama
disebabkan karena dengan bertambahnya ketebalan lapisan tipis maka refleksi dari unsur Si akan meningkat.
Pada Gambar 3 disajikan grafik hubungan antara prosentase transmitansi dengan jarak elektroda (pada grafik kaca tanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin dekat elektroda maka medan listrik yang dihasilkan oleh perbedaan tegangan katoda-anoda akan semakin meningkat. Peningkatan medan listrik ini akan memperbesar tenaga ion-ion Argon yang menembaki target Si. Dengan waktu deposisi, tekanan gas dan tegangan yang sarna maka akan meningkatkan derajat ionisasi dari plasma, kerapatan plasma bertambah, jumlah ion yang menembaki target akan meningkat. Peningkatan ini akan menambah ketebalan lapisan tipis SiN. Peningkatan ketebalan ini menyebabkan unsur yang memantulkan cahaya semakin banyak, sehingga prosentase transmitansinya akan menumn.
Untuk jarak yang terlalu dekat maka terjadi kejenuhan, menumnkan mean-tree-path, sehingga percikan yang dihasilkan bahkan tidak bertambah (konstan). Pada akhirnya ketebalan lapisan tipis yang terbentuk juga konstan, demikian juga transmitansinya. Pada Gambar 4 disajikan grafik peningkatan tahanan ZnOAl tanpa lapisan tipis dan dengan lapisan tipis SiN sebagai fungsi waktu. Untuk lapisan tipis ZnOAl tanpa lapisan tipis pelindung SiN tahanannya semakin lama akan semakin meningkat dengan waktu. Peningkatan ini disebabkan karena pengamh oksigen yang mengenai permukaan lapisan tipis kemudian menyisip diantara atom Zn dan O. Peningkatan tahanan ini akan mencapai kejenuhan karena susunan atom ZnO yang sudah penuh (bahan ZnO mempunyai sifat non
stoikiometri), sehingga unsur oksigen tidak dapat lagi menyisip pada susunan atom ZnO. Untuk lapisan tipis
l
c:'"
~ E In c:~
Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Rejleksi dan Penyekat Udara Pada Sel Surya (Trimardji Atmono)
ZnO yang dideposisi dengan lapisan tipis SiN yang mempunyai transmitan kecil (prosentase yang besar dati unsur Si), tahanan ZnO terlihat stabil. Hal ini disebabkan karena udara di sekitar lapisan tipis tidak mampu menembus lapisan tipis SiN dengan ketebalan yang optimal, sehingga SiN-layer mampu memisahkan antara udara dengan lapisan tipis ZnOAl. Tetapi untuk lapisan tipis SiN yang mengandung unsur N yang berlebihan (prosentase Si kecil), maka udara yang mengandung oksigen masih mampu menembus lapisan tipis SiN. Dengan demikian sebagian unsur 0 dapat menembus daD menyisip pada susunan atom ZoO. Hal ini menyebabkan tahanan lapisan tipis ZnOAl akan naik dati nilai semula 1.210 olun menjadi 1.218 olun. Lapisan tipis SiN yang demikian ini mempunyai transmitan yang cukup tinggi, meskipun tidak bersifat sebagai penyekat yang optimal.
---4
~
"" 1550 ...E
.r:. .£. c II! C II! .r:.~
--1450.,-/
1350/
1250mengandung un sur Si. Pada Gambar 5. disajikan spektrum tenaga dari Si pada substrat kaca (tanpa lapisan tipis) yaitu pada 1.763,02 keY; prosentase unsur Si mencapai 61 %.
Untuk mengetahui prosentase lapisan tipis SiN yang terdeposisi pada substrat dibuat substrat standar daTi bahan mumi daTi Si. kemudian diamati cacahnya. UnsurSi terletakpadatenaga 1.753,54keV danNpada 523,94 ke V Dengan membandingkan cacah dari bahan standar daD lapisan tipis SiN maka dapat diketahui prosentasekandungan Si 4,4 %danN. 2,5% Spektmm dari lapisan tipis SiN disajikan pada Gambar 6.
~. 1b~1
~
~,,~, n1.~.S
*~.~
I.,.JAZ tji. 31 ..~
c,... ~~:I. Z, ,. 1\ :ii C"tlJ
. "J
..
r
~~
TIi~i.~~~;:'~::'.."
:::
;ro
:t~"-'.".
,
/C.l, I~ :::' ::'..:' ::.:::'.,. .;' t ~. ...~,,~ ~ ., ,., ..,.~...1 ;:T'~~~~~:~i~
~ Tenaga (keV)Gamba,. 6. Spektrum daTi tenaga pada unsur SiN pada .tubstrat kaca
/
1150
350
KESIMPULAN
Melalui proses sputtering menggunakan target Si, sputter gas Argon serta aliran gas nitrogen, telah terbentuk lapisan tipis SiN dengan proses reaktiv, yang berfungsi sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara dari sel surra ZnOAl. SiN-layer yang optimal pada substrat adalah daTi lapisan dengan kandungan Si daD N masing-masing sebesar 4,4 % daD 2,5 %.berat atom. Dengan naiknyakandungan unsur N, tampaknya transmitan semakin tinggi tetapi kemampuan daya sekatnya cenderung menurun. Peningkatan daya RF akan menurunkan transmitan lapisan tipis dari 98 % menjadi 94 %, pertambahan jarak elektroda akan menurunkan transmitansi. Tahanan lapisan tipis ZnOAl mengalami peningkatan tahanan sebsar 48 % sedangkan ZnOAl/SiN hanya mengalami peningkatan tahanan sebesarO,6 % dari 1.210 ohmmenjadi 1.218 ohm.
Lapisan tipis SiN yang tepat untuk aplikasi ini
adalah thin films yang mempunyai prosentase
transmitansi tinggi tetapi mempunyai
daya sekat yang
baik. Untuk mendapatkan
lapisan tipis yang demikian,
sangat bergantung dari senyawa
campuran unsur N
daD Si. Untuk mengetahui
unsuryang terdeposisi
pada
substrat kaca maka lapisan tipis yang yang terdeposisi
pada substrat kaca diamati dengan APNC.(Analisa
Pengatipan Netron Cepat) Pengamatan dilakukan
sebelum
daD sesudah
substrat kaca dideposisi dengan
lapisan tipis, karena sebagian besar substrat kaca
UCAPAN TERIMA KASm
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Giri Slamet yang telah membuat lapisan tipis SiN, Sdri. IT Elin Nuraini dan Sunardi SE unt1Jk pengukuran APNC, serta Sdri. Endang Nawangsih AMd yang telah mengukur transmitansi.
i
3, ,...nrRS/,.,1 ! 1:'0'" 2i1 I.&"j ~ 2i1 ..: 1X~ ~. tZl~
CI.~Ol $" .~ .(~" II)I
:{.~.
,
r
1O1A:.;
'~~I .~:. :..
1;01 ,31 j:;' ,,; '~' j~ ~ii;,;;',:', ":",,, ,;;;, ~..., g.S.. "".! '( , "~""'""",:S'~'J'. ,Z'.. """'" '.~-~
,.~,"~ ", "».":r,'~
~
'" "'. -' , ." ,'.;~,~ ,~ ~." "'. ~ "'" .;; ,,;- ~,,~, "~~l_~~'~~~;;;t;{,'I
U-~ Tenaga (keV)Gambar 5, Spektrum daTi tenaga unsur Si pada substrat kaca tanpa lapisan tipis
Prosiding Pertemuan l1miah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002
Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN 1411-2213
DAFTARPUSTAKA
rl1.
[2].
[3]. [4]. [5],TADATSUGU MINAMI, HIDEO SONOHARA, SHINZO TAKATA, ICHIRO FUKUDA,Low temperature fomIation of textured ZnO transparent electrodes by magnetron sputtering, J. Vac. Sci.
Technol, A 13(3), (1995)
H. OECHSNER Sputtering a review of some recent experimental and theoretical aspect, Appl Phys, 8 (185), (2000)
K. TAKA HASffi, M. KONAGAL4morphou.s Silicon Solar Cells, North Oxford Academic, (1999).
J MORT, F JONSON, Plasma Deposited Thin Film, CRC Press Inc. Florida, (1985).
LAWRENCE H., VAN VALACK, Ilmu dan Teknologi Bahan, Penerbit Erlangga, Jakarta, (1991).
V DAUDRIX, C DROZ, N WYRSC, Y ZIEGLER, X NIQUILE, A SHAH, De\'olepment of more .stable amorphous silicon thin.li 1m solar cells deposisted moderately high temperatue, Institute de Microtehnique, Universite de Neuchatel, (2000). [6J
