ISSN 0853 - 0823
PENGARUH DAYA PLASMA PADA STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT
OPTIK FILM TIPIS CdTe YANG DITUMBUHKAN DENGAN DC
MAGNETRON SPUTTERING
Sugianto, Nathan Hendarto, Putut Marwoto, Edy Wibowo
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Semarang sugianto@staff.unnes.ac.id
INTISARI
Cadmium telluride (CdTe) mempunyai koefisien absorpsi cukup tinggi (α > 1x104 cm-1) dan mempunyai direct band-gap
1,5 eV, sehingga berpotensi untuk pembuatan sel surya. Film tipis CdTe telah ditumbuhkan dengan metode dc magnetron sputtering. Film CdTe ditumbuhkan di atas substrat corning glass pada suhu 250oC dengan daya plasma 25 W, 30W dan 35
watt. Hasil karakterisasi film dengan XRD menunjukkan bahwa penambahan daya plasma pada penumbuhan film tipis CdTe tidak menimbulkan adanya perubahan struktur kristal yang signifikan. Struktur kristal ketiga film bersifat polikristal dan berstruktur cubic dengan puncak difraksi dominan pada orientasi (111). Citra SEM memperlihatkan bahwa penambahan daya plasma mempengaruhi mekanisme pertumbuhan yang mengakibatkan terbentuknya butiran-butiran dengan ukuran butir (grain size) yang lebih besar. Film tipis CdTe yang ditumbuhkan pada daya plasma 30 W dan 35 W mampu mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak pada rentang panjang gelombang lebih rendah dari 800 nm, mempunyai energi gap Eg 1,50 eV dan koefisien absorpsi (α) 4,40 x 104 cm-1.
Keywords: Film tipis CdTe, daya plasma, struktur mikro dan sifat optik
I. PENDAHULUAN
Energi mempunyai peranan penting dalam berbagai aspek kehidupan. Penggunaan energi saat ini meningkat pesat sejalan dengan perkembangan jaman. Saat ini masih bergantung pada sumber energi yang tidak dapat diperbaharui seperti hasil-hasil tambang, padahal jumlahnya terbatas dan suatu saat akan habis. Selain itu penggunaan sumber energi dari hasil tambang tersebut menimbulkan banyak dampak negatif terhadap lingkungan. Oleh karena itu perlu dipikirkan sumber energi lain sebagai energi alternatif yang jumlahnya tak terbatas dan tidak sekali habis (dapat diperbaharui) serta ramah lingkungan. Banyak sekali potensi energi yang dapat diperbaharui seperti biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, energi angin dan energi samudera yang sampai saat ini belum banyak dimanfaatkan. Energi matahari yang melimpah ruah, jumlahnya tak terbatas, aman dan ramah lingkungan merupakan pilihan yang tepat untuk dijadikan sebagai energi alternatif.
Teknologi fotovoltaik yang mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi energi listrik dengan
menggunakan sel surya (solar cells) merupakan salah satu pilihan yang menarik. Selama ini
semikonduktor yang banyak digunakan untuk pembuatan sel surya adalah kristal tunggal silikon. Permasalahannya, untuk menghasilkan semikonduktor kristal tunggal silikon dibutuhkan silikon murni sehingga biaya produksinya cukup tinggi. Material semikonduktor nonsilikon yang sedang dikembangkan secara intensif untuk lapisan sel surya diantaranya adalah material paduan CuInGaSe2,
silikon amorf, dan CdTe (Gupta et al, 2006). CuInGaSe2 berharga lebih mahal karena jumlah indium
yang terbatas, selain itu pengontrolan komposisi dari unsur pembentuknya relatif sulit sehingga masih mengalami kendala dalam memproduksi modul atau panel dengan kualitas yang baik. Silikon amorf walaupun jumlahnya cukup banyak tetapi lambat untuk ditumbuhkan serta memiliki efisiensi yang
relatif rendah. Cadmium telluride (CdTe) memiliki koefisien absorpsi yang tinggi (α > 1x104 cm-1) dan
mempunyai direct band-gap (1,50 eV) yang secara teoritis sangat potensial untuk pembuatan sel surya.
Film CdTe dengan tebal 1 µm mampu mengabsorpsi sekitar 90% foton yang energinya lebih tinggi dari
band gap (Gupta et al, 2006). Film tipis CdTe diproduksi dari material polikristalin sehingga lebih
murah pembuatannya. Dengan berbagai kelebihan tersebut, maka CdTe berpotensi untuk pembuatan sel surya (Candless & Sites, 2003).
Metode yang digunakan untuk menumbuhkan film tipis, diantaranya chemical vapor deposition
(CVD),metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), sputtering, spray pyrolysis (Sudjatmoko,
2003), close-spaced sublimation (CSS), vapor-transport deposition (VTD), physical-vapor deposition
(PV), molecular beam epitaxy (MBE), electro deposition (Candless & Sites, 2003), dan rf magnetron
sputtering (Compaan et al, 2004). Pada umumnya masing-masing metode tersebut mempunyai
kelebihan dan kekurangan. Metode yang digunakan untuk mendeposisi lapisan tipis CdTe dalam
penelitian ini adalah dc magnetron sputtering. Deposisi film tipis CdTe dengan metode dc magnetron
ISSN 0853 - 0823
metode lainnya.Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana struktur mikro dan sifat optik
film tipis CdTe yang ditumbuhkan di atas substrat corning glass dengan metode dc magnetron
sputtering pada daya plasma berbeda.
II. METODE PENELITIAN
Secara garis besar penelitian ini mencakup tiga tahap yaitu: (i) preparasi substrat dan pembuatan
target, (ii) deposisi film tipis CdTe dengan metode dc magnetron sputtering, (iii) karakterisasi film
dilanjutkan analisis data hasil karakterisasi. Bahan yang digunakan untuk membuat target adalah serbuk CdTe dengan kemurnian 99.995%. Serbuk CdTe dituang dalam cetakan dan dipres secara
hidrolis. Target berbentuk pelet disintering pada temperatur 700 oC selama satu jam. Substrat yang
digunakan adalah corning glass. Substrat dicuci dalam ultrasonic bath dengan menggunakan aseton
selama 10 menit dilanjutkan dengan menggunakan metanol selama 5 menit. Selanjutnya substrat
dibilas dengan DI water. Substrat dikeringkan dengan menyemprotkan gas nitrogen.
Penumbuhan film tipis dengan metode dc magnetron sputtering telah dijelaskan pada penelitian
sebelumnya (Sugianto et al, 2007). Film tipis CdTe ditumbuhkan selama dua jam yang menghasilkan
ketebalan sekitar 0,4 µm. Analisis XRD dilakukan untuk karakterisasi struktur kristal dan orientasi
bidang kristal film tipis. Analisis SEM digunakan untuk mengetahui struktur mikro pada film tipis
berupa tampang permukaan (surface). Karakterisasi sifat optik dilakukan dengan menggunakan
spektrometer UV-vis. Pada penelitian ini dikaji struktur mikro dan sifat optik film tipis CdTe yang
ditumbuhkan di atas substrat corning glass dengan variasi daya plasma (25 W, 30 W dan 35 W). Film
ditumbuhkan dengan temperatur substrat konstan yaitu 250oC dengan laju aliran argon pada tekanan
reaktor sekitar 500 mT.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil difraktogram XRD film CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W
ditunjukkan pada Gambar 1. Puncak difraksi diidentifikasi dominan pada arah bidang (111) dan disertai beberapa puncak lain dengan orientasi bidang (100), (220), (103) dan (311) yang
mengindikasikan bahwa film tipis CdTe yang terdeposisi di atas corning glass memiliki struktur
polikristal. Hasil ini menunjukkan bahwa film tipis CdTe yang ditumbuhkan mempunyai arah orientasi
kristal yang bersesuaian dengan orientasi kristal dari material CdTe berstruktur kubik dengan kisi
kristal fcc (face center cubic). Film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W
teramati mempunyai puncak difraksi tertinggi berturut-turut pada 2θ adalah 23,819o; 23,835o dan
23,819o.Hasil perhitungan menunjukkan besarnya konstanta kisi a dari film CdTe berturut-turut adalah
6,465 Å, 6,461 Å dan 6,465 Å. Variasi daya pada saat penumbuhan film tipis CdTe tidak berpengaruh secara signifikan terhadap besarnya konstanta kisi film yang dihasilkan.
Gambar 1. XRD film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25, 30 dan 35 watt.
Gambar 2 menunjukkan nilai FWHM (full wide at half maximum) film tipis CdTe yang
ditumbuhkan di atas corning glass. Semakin kecil nilai FWHM semakin baik kualitas kristal tersebut
ISSN 0853 - 0823
daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W mempunyai nilai FWHM puncak (111) berturut-turut sebesar
0,187o; 0,257o dan 0,268o. Penambahan daya menyebabkan bertambahnya FWHM puncak (111) yang
mengindikasikan bahwa homogenitas film menurun. Hal ini disebabkan pada penumbuhan dengan daya tinggi meningkatkan mobilitas ion-ion tersputer sehingga laju penumbuhan meningkat dan cenderung menghasilkan kristal yang kurang homogen dan cenderung menghasilkan film dengan struktur polikristalin.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
22,50 23,00 23,50 24,00 24,50 25,00 25,50
Gambar 2. Nilai FWHM puncak (111) film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W.
Gambar 3. Citra SEM film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma (a) 25 W; (b) 30 W dan (c) 35 W pada perbesaran 20.000 kali.
Struktur mikro lapisan tipis sangat bergantung pada kinematika penumbuhan yang dipengaruhi
oleh temperatur substrat, sifat kimia dan gas lingkungan (Wasa et al, 1992). Hasil karakterisasi
menggunakan SEM dapat diketahui pengaruh daya plasma terhadap morfologi permukaan film. Gambar 3 memperlihatkan citra SEM permukaan film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa penambahan daya plasma pada
deposisi film tipis CdTe dengan metode dc magnetron sputtering mempengaruhi orientasi pertumbuhan
nukleus. Selain itu juga mengakibatkan terbentuknya butiran-butiran dengan ukuran butir (grain size)
yang lebih besar. Film yang ditumbuhkan pada daya plasma yang lebih tinggi memiliki ukuran butiran yang lebih besar dengan morfologi permukaan tidak rata (kasar). Penambahan daya plasma saat penumbuhan menyebabkan bertambahnya energi kinetik dan momentum atom-atom target yang menuju substrat sehingga meningkatkan mobilitas permukaan. Mobilitas permukaan yang tinggi dapat menyebabkan terbentuknya lapisan tipis dengan ukuran butiran lebih besar (Sudjatmoko, 2003).
Kemampuan absorpsi film tipis CdTe dianalisis dengan menggunakan spektrometer UV-vis. Hasil
karakterisasi dinyatakan dalam grafik hubungan antara kuadrat koefesien absorpsi dan energi foton. Film tipis CdTe dapat digunakan sebagai bahan sel surya yang baik jika film dapat mengabsorpsi
seluruh spektrum cahaya tampak. Besarnya energi gap Eg dari film CdTe dapat ditentukan dengan
25 W, 250 oC
2
θ
(
o)
Int
ens
it
as
(c
ps
)
30 W, 250 oC
35 W, 250 oC
ISSN 0853 - 0823
ekstrapolasi linier terhadap sumbu energi foton. Gambar 4 memperlihatkan grafik kuadrat koefesien
absorpsi terhadap energi foton. Besarnya energi gap Eg dan koefisien absorpsi (α) film tipis CdTe
disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Energi gap dan koefisien absorpsi film tipis CdTe.
Sampel Eg (eV) α (cm-1)
A (250o, 25 W) 3,50 1,37 x 104
B (250o, 30 W) 1,50 4,20 x 104
C (250o, 35 W) 1,45 4,41 x 104
Film yang ditumbuhkan pada daya plasma 25 W hanya mampu mengabsorbsi cahaya pada energi lebih besar 3,50 eV atau pada daerah panjang gelombang lebih rendah dari 350 nm. Sedangkan film yang ditumbuhkan pada daya 30 W dan 35 W mampu mengabsorpsi spektrum cahaya pada energi lebih besar 1,50 eV atau pada daerah rentang cahaya tampak. Dalam aplikasi sel surya, yang terpenting film tersebut memiliki koefisien absorpsi tinggi yang mampu mengabsopsi cahaya yang datang pada
permukaan sel surya (Gupta et al, 2006) dan diharapkan mampu menyerap seluruh spektrum cahaya
tampak dari matahari (Contreras et al, 2002). Ini artinya film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan
daya plasma 25 W hanya mampu mengabsopsi cahaya pada panjang gelombang lebih kecil 350 nm
sehingga kurang sesuai untuk digunakansebagai lapisan absorpberdalam pembuatan lapisan sel surya.
Dari Gambar 4b dan 4c terlihat bahwa film yang ditumbuhkan pada daya plasma 30 W dan 35 W mempunyai kemampuan mengabsorpsi spektrum cahaya pada rentang energi foton lebih besar 1,50 eV atau panjang gelombang sekitar 800 nm ke bawah. Ini berarti film yang telah ditumbuhkan mampu
mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak sehingga sesuai untuk pembuatan thin film solar cells.
Hasil tersebut sesuai dengan hasil penelitian Contreras et al (2002) yang juga dihasilkan film tipis
CdTe dengan kemampuan mengabsorpsi spektrum cahaya pada rentang energi lebih besar 1,50 eV.
Gambar 4. Grafik kuadrat koefisien absorpsi terhadap energi foton film CdTe yang ditumbuhkan pada daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W.
IV. KESIMPULAN DAN SARAN
Film tipis CdTe telah ditumbuhkan di atas substrat corning glass dengan metode dc magnetron
sputtering. Film CdTe mempunyai struktur polikristal dengan puncak difraksi dominan pada orientasi
(111). Struktur kristal film CdTe adalah cubic dengan kisi kristal fcc dan mempunyai tetapan kisi yang
ISSN 0853 - 0823
besar dari 1,50 eV. Film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 30W dan 35 W mampu
mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak. Film CdTe yang ditumbuhkan dengan dc magnetron
sputtering berpotensi untuk dikembangkan sebagai bahan sel surya.
V. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang yang telah membiayai penelitian ini melalui Dana DIPA UNNES No. 0161.0/023-04.0/XIII/2008, MA.3210.4780.521211
VI. DAFTAR PUSTAKA
Candless, Mc. B.E. & Sites, J.R. 2003. Cadmium Telluride Solar cell. Handbook of Photovoltaic
Science and Engineering. New York: John Wiley
Compaan, A.D., Gupta, A., Lee S., Wang S., Drayton J. 2004. High Efficiency Magnetron Sputtered
CdS/CdTe Solar Cells. Solar Energy. 77:815-822
Contreras, H.H., Contreras P.G., Aguilar,H.J., Morales, A.A., Vidal, L.J., Vigil, G.O., 2002. CdS and
CdTe Large Area Thin Films Processed by Radio-frequency Planar Magnetron Sputtering. Thin
Solid Film. 403-404:148-152
Gupta, A., Parikh, V., Compaan, A.D., 2006. High Efficiency Ultra-thin Sputtered CdTe Solar Cells.
Solar Energy Mater. & Solar Cells. 90:2263-2271
Sudjatmoko. 2003. Aplikasi Teknologi Sputtering untuk Pembuatan Sel Surya Lapisan Tipis
(Workshop Sputtering untuk Rekayasa Permukaan Bahan). Yogyakarta: Puslitbang Teknologi Maju BATAN
Sugianto. Sunarno. Putut. M. 2007. Penumbuhan Film Tipis AlxGa1-xN di atas Substrat Si(111) dengan
Metode DC Magnetron Sputtering. Proseding Seminar Nasional 4rdKENTINGAN PHYSICS
FORUM. Jurusan Fisika: Universitas Sebelas Maret Surakarta. 55-62
Suryanarayana, C & Norton, M.G.1998. X-Ray Diffraction A Practical Approach. New York: Plenum
Press
Wasa, K & Hayakawa, S. 1992. Hand Book of Sputtering Deposition Technology Principles,
