Aplikasi ZnO pada Sel Surya .pdf

Tenisa Eka Putri 1_{, Vincencius} 2_{, Anderson} 3_{, Jamaludin} 4_{, Chairunnisa} 5_{, Reinaldo Giovanni} 6_{, Wildan S.} Nahar 7_{, Qoniti Amalia} 8_{, Jalu Setya Pradana} 9_{, Suryana} 10

10213048 1_{, 10212013} 2_{, 10212086} 3_{, 10213032} 4_{, 10213035} 5_{, 10213069} 6_{, 10213075} 7_{, 10213095} 8_, 10213098 9_{, 10214027} 10

Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung

Jalan Ganesha No. 10, Bandung 40132, Indonesia

tenisaekaputri@gmail.com 1

Abstrak

Pada tulisan ini akan dijelaskan mengenai aplikasi ZnO pada solar cell. ZnO merupakan semikonduktor tipe-n berbentuk kristal wurtzite dengan celah pita energi langsung (direct band gap). Metode yang digunakan untuk penumbuhan ZnO pada tulisan ini adalah sol-gel spin coating. Untuk menentukan sifat stuktur ZnO digunakan metode karakterisasi X-ray Diffraction sedangkan untuk mengetahui sifat optic dan listrik, dilakukan pendopingan ZnO dengan Al berbagai variasi konsentrasi (1-4%). Sifat-sifat optic dan listrik dari ZnO ini akan diaplikasikan dalam sel surya. Sel surya merupakan perangkat atau device yang dapat mengubah energi cahaya menjdai energi listrik . Proses pendopingan ZnO dengan Al dapat mengubah sifat listrik dan sifat optic ZnO. Perubahan sifat listrik antara lain perubahan nilai resistivitas. Nilai resisitivitas pada ZnO yang didoping dengan Al mengalami penurunan. Perubahan sifat optic antara lain perubahan nilai band gap dan nilai tranmitansi. Nilai band gap dari ZnO yang didoping Al mengalami peningkatan karena adanya efek Burnstein-Moss. Pada tulisan ini, nilai tranmitansi ZnO diamati dalam rentang panjang gelombang 400 sampai 1000 nm. Untuk rentang 500 sampai 800 nm, nilai transmitansi ZnO didoping dengan Al 1% dan 2 % mengalami peningkatan namun untuk konsentrasi 3% dan 4 % nilai transmitansi berkurang kembali. Nilai tranmitansi tertinggi didapat saat ZnO didoping Al 2% dan terendah saat ZnO didoping dengan Al 4%.

Kata Kunci : Doping, Efek Burnstein-Moss, Sel Surya, Sol-gel spin coating, Zinc Oxide (ZnO)

I. LATAR BELAKANG

Studi mengenai pemanfaatan ZnO sebagai material sel surya telah berkembang pesat. ZnO atau Zinc Oxide adalah semikonduktor tipe-n berbentuk kristal wurzite dengan celah pita energi langsung (direct band gap). Nilai celah pita energi untuk ZnO monokristal adalah antara 3,1-3,3 eV pada temperatur ruangan dan 3,44 eV pada temperatur 4 K dan untuk film ZnO polikristal adalah antara 3,28 – 3,30 eV (Dengyuan, 2005) [3]

Terdapat beberapa metode untuk penumbuhan thin films ZnO antara lain pulsed-laser deposition, chemical vapor deposition spray pyrolysis dan sol-gel. Doping logam transisi pada semikonduktor ZnO dapat meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Tipikal dopan yang banyak digunakan untuk meningkatkan konduktivitas film ZnO adalah atom-atom trivalent (atom yang memiliki tiga elektron valensi) seperti unsur unsur golongan III A (Al, In,Ga). Alumunium adalah salah satu dopan yang paling banyak digunakan karena menghasilkan film ZnO dengan konduktivitas tertinggi.

Sifat optik dan magnetik dari ZnO yang telah didoping dengan Al dapat dimanfaatkan dalam bidang potovoltaik. Sel surya merupakan perangkat atau device yang dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Sel surya sudah digunakan sejak 1950an sebagai energi alternatif.

Perkembangan sel surya dibagi menjadi beberapa generasi. Generasi pertama adalah tipe wafer silicon. Tipe ini dibagi menjadi 2 yaitu monocrystalline dan polycrystalline.Tipe wafer silicon monocrystalline memiliki efisiensi sekitar 15-20%, menyisakan banyak ruang kosong jika disusun untuk membentuk panel surya dan harganya cenderung mahal. Tipe wafer silicon polycrystalline memiliki efiensi sekitar 13-16%, jika disusun membentuk panel surya tidak akan menyisakan ruang kosong, dan harga tipe ini lebih murah dibandingkan tipe monocrystalline.

Gambar 1. MonoCrystalline dan PolyCristalline

Pada sel surya generasi kedua, digunakan teknologi lapisan tipis atau thin films. Bahan yang biasa digunakan berupa silikon atau bahan yang memiliki efiesiensi sel surya tinggi. Dilanjutkan dengan sel surya generasi ketiga yang terdiri dari sel surya polimer dan sel surya fotoelektrokimia. Sel surya polimer dibuat dari bahan semikonduktor seperti polyphenylene vinylene dan fullerence sedangkan sel surya fotoelektrokimia terdiri dai lapisan nanopartikel yang dilapiskan pada kaca substrat dan direndam dalam dye. Sel surya fotoelektrokimia memiliki efisiensi sekitar 13%, dapat tetap dapat bekerja walaupun tidak terkena cahaya matahari langsung (dalam kondisi cahaya rendah) dan radiasi panas lebih mudah dan cepat.

Dalam penelitian ini, akan dilakukan pengamatan karakterisasi sifat fisis ZnO yang didoping dengan Alumunium (Al) dengan metode sol-gel spin coating. Karakterisasi sifat struktur, sifat optik dan sifat listrik selanjutnya dapat digunakan untuk aplikasi pada devais potovoltaik berupa sel surya.

II. TEORI DASAR

Pada tulisan ini, metode eksperimen yang digunakan untuk menumbuhkan ZnO adalah sol-gel spin coating. ZnO akan didoping Al dengan variasi konsentrasi untuk mengamati sifat optik dan sifat listriknya. Sedangkan untuk menentukan karakterisasi kristal ZnO digunakan pengukuran XRD (X-Ray Diffraction). Sifat-sifat fisis ZnO yang diamati antara lain sifat struktur, sifat listrik dan sifat optik.

a. Sifat Struktur ZnO

Untuk menentukan karakterisasi kristal ZnO digunakan pengukuran XRD (X-Ray Diffration). Prinsip dasar dari XRD adalah difraksi sinar-X oleh atom-atom kristal. Ketika sebuah sinar X monokromatik menumbuk atom, akan terjadi dua proses hamburan yaitu hamburan koheren dan hamburan inkoheren. Fenomena lain akan terjadi pada kumpulan atom yang tersusun dalam ruang secara teratur dan periodik seperti dalam sebuah kristal. Pada kristal, radiasi hamburan koheren dari semua atom akan saling menguatkan (interferensi konstruktif) pada arah tertentu atau saling menghilangkan (interferensi destruktif) pada semua arah lain yang akan menghasilkan sinar difraksi.

Gambar 2. Difraksi Sinar-X pada Kristal

Pada umumnya ZnO membentuk struktur kristal heksagonal wurtzite (Kai, 2008; Jagadish dan Pearton, 2006; Palomino, 2006; Dengyuan, 2005; Karpina et al., 2004) [3]_{. Struktur kristal} heksagonal wurtzite dapat digambarkan sebagai kombinasi bergantian subkisi hexagonal-close-packed (hcp), dimana tiap subkisi terdiri dari satu jenis atom (misal atom Zn) bergantian dengan atom jenis lain (atom O) sepanjang sumbu c. Tiap satu subkisi meliputi empat atom per unit sel, setiap atom Zn dikelilingi oleh empat atom O dan sebaliknya setiap atom O dikelilingi oleh empat atom Zn.

Gambar 3. Struktur Heksagonal Wurtzite ZnO [3]

Pada gambar diatas, atom O digambarkann sebagai bola putih besar dan atom Zn digambarkan sebagai bola hitam kecil. Parameter kisi ZnO untuk struktur wurtzite pada temperatur 300 K adalah a = 3,2495Å dan c = 5,2069 Å (Dengyuan, 2005) [3]_{. Rasio} c/a pada Zno sebesar 1.6 mendekati rasio c/a ideal heksagonal yang bernilai 1,633.

Selain struktur kristal wurtzite, ZnO juga dapat memiliki stuktur kristal kubik zincblende dan rocksalt (Jagadish dan Pearton, 2006; Dengyuan, 2005).

Gambar 4. Struktur Cubic Rocksalt ZnO [3].

Gambar 4. Struktur Cubic Zincblende ZnO [3]_. Sifat-sifat fisis kristal ZnO tipe wurtzite dapat dilihat pada tabel dibawah ini

Tabel 1. Sifat Fisis Kristal ZnO Tipe Wurtzite

Sifat Fisis Nilai

Konstanta Kisi (T = 300K) a0 c0 0.32469 nm 0.52069 nm Kerapatan 5.606 g/cm3 Titik Lebur 2248 K Konstanta dielektrik 8.66 Energi gap 3.4 eV (4K) 3.2eV (RT) Konsentrasi pembawa intriunsik < 106 _cm3

Energi ikat eksiton 60 meV Mobilitas elektron 0.24 cm2 _{/ V s} Mobilitas Hole 5 – 50 cm2 _{/ V s}

b. Sifat Listrik ZnO

Pada tulisan ini, dilakukan doping ZnO dengan Al untuk mengamati sifat listrik ZnO. Nilai beberapa parameter listrik ZnO sebagai berikut

Gambar 5. Parameter Listrik ZnO [3]_.

Pengaruh pendopingan Al terhadap Sifat Listrik Thin Film ZnO

Metode penumbuhan ZnO pada tulisan ini menggunakan metode sol-gel spin coating dengan substrat kaca. Sol-gel adalah metode kimia yang digunakan untuk penumbuhan material glassy dan keramik. Pada proses ini, sol membentuk gel yang mengandung fase cair dan padat. Untuk mengubah cairan ZnO menjadi susbtrat tipis, digunakan spin coating. Substrat akan diputar dengan kecepatan tinggi menggunakan spinner atau spin coatter agar lapisan materialnya merata.

Pendopingan merupakan salah satu cara untuk merubah sifat listrik dan optik semikonduktor. Salah satu tujuan pendopingan adalah untuk meningkatkan konduksi semikonduktor. Pada tulisan ini, semikonduktor ZnO akan didoping dengan Al dengan berbagai variasi konsentrasi Al (dalam %). Pada ZnO yang didoping Al, sebuah kisi yang seharusnya ditempati atom Zn akan digantikan oleh atom Al.

Pengaruh doping Al terhadap resistivitas listrik ZnO dapat dilihat pada grafik dibawah ini

Gambar 6. Grafik Hubungan konsentrasi Al dengan Resistivitas [2]

Dari grafik dapat terlihat bahwa saat kondisi ZnO belum didoping (undoped ZnO), resisitivitas ZnO bernilai 90.4 x 10-4 _{Ω.cm. Kemudian saat didoping dengan Al 1%, nilai} resistivitas ZnO turun menjadi sekitar 50 x 10-4 _{Ω.cm dan terus turunsampai ke 33 x 10}-4 _Ω.cm saat didoping Al 2%. Penurunan resistivitas seiring kenaikan doping ini disebbakan adanya

penambahan jumlah carier elektron dari donor Al3+ _{yang menyatukan interstitial atau} substitutional sites dari kation Zn2+_.

Namun saat pendopingan ZnO dengan Al 3%, terjadi kenaikan resisitivitas menjadi 37 x 10-4 Ω.cm. Resistivitas listrik naik disbebakan kemunculan fase Al2O3 yang memberikan peningkatan formasi pada alloy daripada doping. Dari grafik ini, dapat dikatakan bahwa untuk meningkatkan konduksi ZnO atau menurunkan resistivitas ZnO, konsentrasi Al yang tepat adalah 2%.

c. Sifat Optik ZnO

ZnO adalah semikonduktor dengan celah pita energi langsung (direct bandgap). Nilai celah energi untuk ZnO monokristal adalah 3,1 – 3,3 eV pada suhu ruang dan 3,44 eV pada suhu ruang dan 3,44 eV pada temperatur 4K dan untuk film ZnO polikristal adalah antara 3,28 – 3,30 eV (Dengyuan, 2005). Nilai indeks bias ZnO dalam bentuk film berkisar 1,93 – 2,0 dan untuk material ukuran besar (bulk) adalah ~2,0. [3]

Pengaruh pendopingan Al terhadap Sifat Optik Thin Film ZnO

Proses pendopingan dapat meningkatkan konsentrasi muatan pembawa bebas dalam semikonduktor. Pada ZnO muatan pembawa bebas adalah elektron. Apabila ZnO didoping dengan Al, maka konsentrasi elektron akan meningkat. Peningkatan konsentrasi elektron dapat memperbesar lebar celah pita energi semikonduktor. Hal ini disebabkan adanya efek Burstein-Moss. Tingkat keadaan terendah pada pita konduksi ditempati oleh elektron eksitasi dari tingkat keadaan donor dangkal. Sehingga elektron dari state tertinggi pita valensi tidak bisa bertransisi ke state terendah pita konduksi tersebut. Akhirnya, elektron dari state tertinggi pita valensi harus pindah ke state yang lebih tinggi dan menyebabkan efek pelebaran celah pita energi. Celah pita energi yang awalnya hanya Eg menjadi Eg + ∆E, dimana ∆E merupakan kontribusi efek Burstein-Moss.

Gambar 7.Efek Burstein-Moss

Gambar 8.Grafik pengukuran energi band gap untuk thin film ZnO murni [1]

Gambar 9.Grafik pengukuran energi band gap untuk thin film ZnO :Al (1%) [1]

Gambar 10..Grafik pengukuran energi band gap untuk thin film ZnO :Al (2%) [1]

\

Gambar 12.Grafik pengukuran energi band gap untuk thin film ZnO :Al (4%) [1]

Nilai energi band gap untuk ZnO murni dan ZnO didoping Al dapat dilihat pada Tabel 2. sebagai berikut

Tabel 2. Nilai energi band gap untuk ZnO murni dan ZnO didoping Al [1] Tipe Thin Films Nilai energi

Band gap (eV)

ZnO Murni 3.16

ZnO:Al 1 % 3.16

ZnO:Al 2 % 3.18

ZnO:Al 3 % 3.30

ZnO:Al 4 % 3.32

Pengaruh pendopingan ZnO dengan Al terhadap transmitansi thin film ZnO dalam rentang panjang gelombang 400 nm sampai 1000 nm dapat dilihat pada grafik dibawah ini

Gambar 13.Grafik hubungan konsentrasi Al terhadap transmitansi (%) dalam rentang panjang gelombang 400 nm sampai 1000 nm [1]

Dari grafik diatas, didapat bahwa dari rentang panjang gelombang 400 nm sampai 500 nm berlaku transmitansi ZnO murni paling rendah (80% - 88 %), kemudian ketika ZnO didoping dengan Al 1% trensmitansi naik menjadi sekitar 92-94 %. Saat ZnO didoping Al 2%, nilai transmitansi juga meningkat menjadi sekitar 91-95 %. Nilai transmitansi untuk ZnO didoping Al 3% berkisar 93% dan nilai transmitansi untuk ZnO didoping Al 4 % berkisar di 85-90 %.

Pada rentang panjang geombang 500 nm sampai 800 nm, nilai transmitansi untuk ZnO yang didoping Al 1% dan 2% mengalami peningkatan. Namun untuk konsentrasi Al 3% dan 4%, nilai transmitansi ZnO berkurang kembali. Bahkan nilai transmitansi ZnO yang didoping dengan Al 4% lebih rendah dari ZnO murni.

d. Metode Fabrikasi

Metode fabrikasi yang digunakan untuk penumbuhan ZnO adalah metode sol gel spin coating. Metode sol-gel merupakan metode dengan menggunakan proses kimia dimulai dari bentuk ion yang lebih besar (bulk) ditambah pereaksi kimia sehingga ion yang dihasilkan berukuran nanopartikel, dan ini akan mengalami perubahan fase yaitu dari fase solid yang berupa serbuk akan berubah menjadi fase sol lalu berubah menjadi gel [7]_{. Spin coating diartikan sebagai suatu metode pelapisan} dengan menggunakan putaran. Spin coating merupakan prosedur yang digunakan untuk menerapkan film tipis seragam untuk substrat datar. Sejumlah bahan pelapis ditempatkan pada substrat, kemudian diputar dengan kecepatan tinggi untuk menyebarkan cairan dengan gaya sentrifugal. Sejumlah mesin yang digunakan untuk coating spin disebut coater spin atau spinner

[7]

. Proses spin coating terdiri dari 3 tahap yaitu tahap penetesan cairan (dispense), tahap percepatan spin coating, dan tahap pengeringan. Cairan dideposisikan di atas permukaan substrat (tahap dispense) dan diputar dengan kecepatan tinggi (tahap percepatan spin coating). Lapisan yang dibuat akan dikeringkan sampai pelarut pada lapisan tersebut benar-benar sudah menguap (tahap pengeringan).

Pada paper referensi yang kami gunakan, Material awal yang digunakan adalah 𝑍𝑛(𝐶𝐻₃𝐶𝑂𝑂)₂.2𝐻₂𝑂 Zinc acetate dehydrate. Digunakan 0.1 mol/100 ml 𝑍𝑛(𝐶𝐻₃𝐶𝑂𝑂)₂.2𝐻₂𝑂 ditambahkan dengan propanol 2 dan diaduk selama 50 menit sampai mendapatkan milky liquid. Kemudian diteteskan DEA (Di Ethyl Amin) sebagai statibilizer untuk mendapatkan cairan transparan. Didiamkan pada temperature lab selama 24 jam kemudian di filter. Sol siap digunakan untuk membuat thin films menggunakan spinner . Proses dimulai dengan proses heating dengan suhu 550 °C selama 1 jam kemudian pada suhu 200 °C selama 15 menit.Untuk mempelajari hubungan konsentrasi Al terhadap sifat fisis ZnO dilakukan pendopingan Al dengan menambahkan Al(𝑁𝑂)₃.9𝐻₂𝑂 [1]

e. Aplikasi ZnO Pada Sel Surya

Sel Surya/fotovoltaik adalah suatu alat yang dapat mengonversi energi cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction yaitu hubungan antara semikonduktor tipe p dan tipe n. semikonduktor terdiri dari ikatan-ikatan atom yang terdapat elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe n mempunyai kelebihan elektron sedangkan

tipe p memiliki kelebihan hole dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole ini bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. P-N junction ini akan membentuk medan listrik sehingga elektron dan hole bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe p dan tipe n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe n ke tipe p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe n dan sebaliknya membentuk kutub negatif pada semikonduktor tipe p. akibat dari aliran elektron dan hole ini maka akan terbentuk medan listrik sehingga ketika cahaya matahari mengenai susunan p-n jup-nctiop-n, maka akap-n mep-ndorop-ng elektrop-n bergerak dari semikop-nduktor mep-nuju kop-ntak p-negative yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik.

Gambar 14. Skema sel surya [9]

Sel surya ZnO/Cu2O adalah sel surya dengan ZnO sebagai tipe n dan Cu2O sebagai tipe P. Toksisitas material ini sangan rendah. Energi gap ZnO adalah 3,2 eV sedangkan Cu2O adalah 2,1 eV. AZO adalah sebutan untuk ZnO yang didoping dengan Al. AZO memiliki konduktivitas dan bandgap lebih tinggi dibandingkan ZnO biasa. Karena ZnO memiliki konduktivitas listrik dan transmigrasi optik yang baik, ZnO dapat berperan sebagai katoda transparent conductive oxide (TCO) pada organic dan organic/inorganic OSCs ketika didoping oleh unsur logam seperti Al dan Ga. Selain berperan sebagai akseptor electron pada lapisan aktif dalam ZnO/organic HSCs, ZnO juga dapat digunakan sebagai cathode buffer layer (CBL) sebagaimana elektroda transparan. Pada tabel di bawah ini terdapat beberapa data mengenai performa sel surya

III. KESIMPULAN

Proses pendopingan pada ZnO dengan menggunakan Al akan mengubah sifat listrik dan sifat optic ZnO. Pada sifat listrik, proses pendopingan mengakibatkan perubahan resistivitas ZnO. Saat keadaan murni, resistivitas ZnO bernilai 90.4 x 10-4 _{Ω.cm. Saat didoping dengan Al, nilai resistivitas} ZnO menurun dengan nilai terendah pada saat doping Al 2% yaitu 33 x 10-4 _{Ω.cm. Pada sifat optik,} proses pendopingan mengakibatkan perubahan nilai energi band gap dan tranmitansi. Nilai energi bandgap akan semakin besar ketika konsentrasi Al semakin besar. Hal ini berhubungan dengan efek Burnstein-Moss. Pengaruh konsentrasi Al terhadap transmitansi ZnO dapat dilihat pada gambar 12. Terlihat bahwa nilai transmitansi yang paling tinggi terjadi ketika ZnO didoping dengan Al 2%. Metode fabrikasi yang digunakan untuk penumbuhan ZnO adalah metode sol-gel spin coating yaitu dengan penumbuhan lapisan tipis pada substrat dengan meneteskan cairan pada substrat yang diputar dengan kecepatan tinggi. ZnO yang didoping dengan Al atau yang disebut AZO memiliki konduktivitas dan transmitansi yang baik sehingga dapat digunakan untuk sel surya atau fotovoltaik.

IV. REFERENSI

[1] Alhamed, Munir; Abdullah,Wael; 2010, Structural and Optical Properties of ZnO:Al Films Prepared by The Sol-Gel Method; Journal of Electron Devices, Vol. 7, 2010, pp. 246-252. Tersedia:

http://www.jeldev.org

[2] Ammaih, Yousef; Lfakir, Abderrazak et al; 2014, Stuctural, Optical and Electrical Properties of ZnO:Al thin films for Optoelectronic Applications; Opt Quant Electron(2014) 46:229-234. Tersedia: https://www.researchgate.net

[3] Struktur ZnO, Sifat Listrik dan Sifat Optik ZnO. Tersedia : http://a-research.upi.edu/

[4] F.Z Ghomrani; A.Aissat; et al: 2015, Al Concentration Effect on ZnO Based Thin Films for Photovoltaic Applications; Energy Procedia 74(2015) 491-498. Tersedia:

http://www.sciencedirect.com

[5] Karakterisasi Sifat Optik Lapisan Tipis ZnO Doping Al yang di Deposisi di Atas Kaca dengan Metode Sol-Gel Teknik Spray-Coating. Tersedia: http://pdm-mipa.ugm.ac.id

[6] Skorupska, Katarzyna; Optical Properties of Semiconductors. Tersedia: http://www.uwyo.edu

[7] Nanopartikel Seng Oksida (ZnO). Tersedia: http://repository.usu.ac.id/

[8] Ahzan, Sukainil; Darminto, Purwaningasih, Sri Yani; Sintesis Lapisan ZnO dengan Metode Sol-gel Spin Coating dan Karakterisasi Sifat Optiknya. Tersedia: http://digilib.its.ac.id/