Karakterisasi Dan Optimasi Efisiensi Sel Surya Bst/Cuo Tergandeng Kristal Fotonik
KARAKTERISASI DAN OPTIMASI EFISIENSI SEL SURYA
BST/CuO TERGANDENG KRISTAL FOTONIK
M DAHRUL
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Karakterisasi dan Optimasi
Efisiensi Sel Surya BST/CuO Tergandeng Kristal Fotonik adalah benar karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun
kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan
dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juni 2016
M DAHRUL
NIM G751130061
RINGKASAN
M Dahrul. Karakterisasi dan Optimasi Efisiensi Sel Surya BST/CuO Tergandeng
Kristal Fotonik. Dibimbing oleh HUSIN ALATAS dan IRZAMAN
Sel surya merupakan salah satu teknologi yang dikembangkan umat manusia
untuk mengatasi kelangkaan sumber daya energi tak terbarukan. Kendala utama
pengembangan sel surya khusunya di negara berkembang seperti Indonesia adalah
biaya pembuatan dan komponen yang sangat mahal dibandingkan efisiensi
operasional (persentase konversi energi matahari). Pembuatan sel surya dapat juga
melalui bahan feroelektrik yaitu BST. BST memiliki sifat opto-elektronik (peka
cahaya) dan secara teoritis memiliki efsiensi sebesar 6%. Tembaga oksida (CuO)
merupakan material yang banyak diaplikasikan sebagai sel surya fotovoltaik.
Semikonduktor CuO memiliki serapan optik yang tinggi pada cahaya tampak, tidak
beracun, dan di fabrikasi dengan biaya rendah. Kristal fotonik mampu
meningkatkan efisiensi film tipis BST. Kombinasi BST, CuO, dan kristal fotonik
diharapkan mampu menjadi sel surya jenis baru.
Film tipis BST diberikan perlakuan variasi dopant yaitu litium dan tembaga
dan persentase jumlah dopant (1%, 3%, dan 5%) untuk meningkatkan sifat optik
dan struktur BST. Film tipis CuO diberikan perlakuan variasi suhu annealing
(350 °C, 450 °C, 550 °C) dan ketebalan lapisan (satu lapisan, dua lapisan, dan tiga
lapisan) untuk meningkatkan sifat optik dan struktur CuO. Karakterisasi struktur
film tipis BST dan CuO bertujuan untuk mengetahui mempelajari tingkat
kekristalan bahan yang dibuat. Karakterisasi optik bertujuan untuk mengetahui dan
mempelajari sifat optik yang merupakan faktor utama kualitas sel surya. Pengujian
fotovoltaik bertujuan mendapatkan karakteristik fotovoltaik terutama efisiensi.
Peningkatan efisiensi sel surya menggunakan kristal fotonik.
Film tipis BST dan CuO telah berhasil dibuat dengan metode sol-gel dan teknik
spin-coating. Karakterisasi optik memperlihatkan film tipis BST, BLST, dan BCST
memiliki absorbansi daerah cahaya tampak dan mengalami penurunan energi gap
seiring dengan bertambahnya jumlah dopant. Karakterisasi optik CuO
menunjukkan film tipis CuO mengalami penurunan energi gap ketika suhu
annealing ditingkatkan. Film tipis CuO pada suhu annealing 550 °C dan energi gap
1.98 eV digunakan untuk sel surya. Data fotokonduktivitas menunjukkan bahwa
semua sel surya peka terhadap intensitas cahaya. Konduktivitas tertinggi yaitu
adalah BLST 5% sebesar 9,1 x 10-7 S/cm dan BCST 3% sebesar 28,5 x 10-7 S/cm.
Karakteristik fotovoltaik memperlihatkan efisiensi terbesar pada BST/CuO yaitu
0,009% dan adanya peningkatan arus pada pada semua sel surya. Sel surya
BLST/CuO memiliki peningkatan efisiensi terbaik sebesar 57.82% karena
bersesuaian dengan panjang gelombang PPB kristal fotonik.
Kata kunci: BST, CuO, kristal fotonik, sel surya
SUMMARY
M DAHRUL. Characterization and Optimization of BST/CuO Solar Cell
Efficiency Coupled to Photonic Crystal. Supervised by HUSIN ALATAS and
IRZAMAN.
Solar cell is one of the technologies that has been developed to solve the
scarcity of non-renewable energy resources. The main obstacle for solar cell
development in Indonesia is the cost of manufacture and components are higher
than the operating efficiency (the percentage of solar energy conversion). Solar
cells can also be made using a ferroelectric material called BST. BST has optoelectronic properties (sensitive to light) and theoretically have efficiency by 6%.
Copper oxide (CuO) is a material which is widely applied as photovoltaic solar
cells. Semiconductor CuO have high optical absorption in the visible, non-toxic,
and low cost fabrication. Photonic crystals can improve the efficiency of thin film
BST. The combination of BST, CuO, and a photonic crystal is expected to become
a new kind of solar cell.
Dopant variations (lithium and copper) were given to BST thin films with the
percentage number of dopant were 1%, γ% and η%. It’s done to improve their
optical properties and structure of the BST. To improve CuO optical properties and
structure, the thin film were made in three layers with certain thickness and the
temperature variation for this film were 350 °C, 450 °C, and 550 °C. The
characterization for BST and CuO thin films aims to determine and obtain the
crystallinity and crystallite size. Optical characterization aims to identify and study
the optical properties which is the main factor for the quality of solar cells.
Photovoltaic testing aims to obtain characteristics especially photovoltaic
efficiency. Photonic crystal is used to increase the efficiency of solar cells.
BST and CuO thin films have been successfully prepared by sol-gel method
and spin-coating techniques. Optical characterization of BST, BLST, and BCST
thin films have the absorbance on the visible region and the energy gap was
decreasing when the annealing temperature increased. Optical characterization of
CuO thin film also showed the same result. CuO thin film at the annealing
temperature of 550 °C and the energy gap of 1.98 eV was applied for solar cells.
Photoconductivity data were showed that all solar cells are sensitive to light
intensity with the highest conductivity for BLST 5% is 9.1 x 10-7 S/cm and
BCST 3% is 28.5 x 10-7 S/cm. Photovoltaic characteristics were showed that the
best efficiency for BST/CuO is 0.009% and there is an increase of current flow in
all solar cells. Solar cells BLST/CuO efficiency increases 57.82% and it is
consistent with the photonic crystal PPB wavelength.
Keywords: BST, CuO, photonic crystal, solar cell,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau
menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
KARAKTERISASI DAN OPTIMASI EFISIENSI SEL SURYA
BST/CuO TERGANDENG KRISTAL FOTONIK
M DAHRUL
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji luar komisi: Dr Yesie Widya Sari, MSi
Judul Tesis : Karakterisasi dan Optimasi Efisiensi Sel Surya BST/CuO
Tergandeng Kristal Fotonik
Nama
: M Dahrul
NIM
: G751130061
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Husin Alatas, MSi
Ketua
Dr Ir Irzaman, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Biofisika
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Mersi Kurniati, MSi
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 15 Juni 2016
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan dengan sebaikbaiknya. Judul yang dipilih dalam penelitian ini adalah Karakterisasi dan Optimasi
Efisiensi Sel Surya BST/CuO Tergandeng Kristal Fotonik. Penelitian ini
dilaksanakan sejak bulan Februari 2015 sampai Desember 2016.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Husin Alatas dan Bapak
Dr Irzaman selaku pembimbing atas nasehat spiritual, arahan, dan bimbingannya.
Di samping itu, terima kasih juga penulis ucapkan kepada Bapak Dr Akhiruddin
Maddu dan Bapak Dr Mamat Rahmat atas arahannya dalam pembuatan film tipis
serta Bapak Erus Rustami M.Si, dalam pengujian sel surya. Penghargaan penulis
sampaikan kepada Bapak Didik Ahmad dan Ibu Nella Rahmati dari Balai Penelitian
Kehutanan serta Bapak Sulis Tyono dari Badan Tenaga Atom Nasional (BATAN)
yang telah membantu selama proses pengujian bahan. Terima kasih kepada rekanrekan laboratorium biomaterial saudara Muhammad Kasasi, Febrian Vernando, dan
Sugianto serta rekan laboratorium material saudari Aah Nuraisah dan Mutiara
Khairunnisa. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada almarhum ayah, ibu,
adinda serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga karya
ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Juni 2016
M Dahrul
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang ............................................................................................... 1
Perumusan Masalah ....................................................................................... 2
Ruang Lingkup Masalah ................................................................................ 2
Tujuan Penelitian ........................................................................................... 2
Manfaat Penelitian ......................................................................................... 2
TINJAUAN PUSTAKA
3
Barium Stronsium Titanat ............................................................................. 3
Metode Chemical Solution Deposition.......................................................... 6
Sel Surya ........................................................................................................ 7
Tembaga Oksida ............................................................................................ 9
Kristal Fotonik ............................................................................................. 10
METODE
11
Tempat dan Waktu Penelitian...................................................................... 11
Bahan ........................................................................................................... 11
Alat .............................................................................................................. 12
Prosedur Penelitian ...................................................................................... 12
HASIL DAN PEMBAHASAN
22
Karakterisasi Struktur .................................................................................. 22
Karakterisasi Optik ...................................................................................... 27
Karakterisasi Fotokonduktivitas .................................................................. 40
Karakteristik I-V Sel Surya ......................................................................... 42
Absorbansi Sel Surya ................................................................................... 46
SIMPULAN DAN SARAN
47
Simpulan ...................................................................................................... 47
Saran ............................................................................................................ 47
DAFTAR PUSTAKA
48
LAMPIRAN
53
RIWAYAT HIDUP
71
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Kristalinitas dan parameter kisi film tipis BST
Ukuran kristal film tipis BST, BLST, dan BCST
Kristalinitas dan parameter kisi film tipis CuO
Ukuran kristal film tipis CuO annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC
Beberapa penelitian energi gap CuO
Koefisien absorpsi dan koefisien peredaman pada serapan maksimum
Parameter fotovoltaik sel surya tanpa kristal fotonik
Parameter fotovoltaik sel surya gandeng kristal fotonik
Peningkatan efisiensi sel surya
23
24
26
26
30
37
44
44
45
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Struktur perovskite BST pada fase kubik dan tetragonal
Mekanisme hard dan soft dopant (Uchino 2000)
Proses spin coating (Bornside et al. 1987)
Persambungan p-n sel surya
Kurva I-V sel surya
Struktur kristal CuO (Wang 2006)
Struktur kristal fotonik (Joannopoulos et al. 2008)
Diagram alir penelitian
Diagram alir pembuatan film tipis BST
Diagram alir pembuatan film tipis CuO
Set-up pengukuran absorbansi film tipis
Struktur lapisan sel surya
Rangkaian pengukuran arus tegangan sel surya
Kristal fotonik
Pola difraksi film tipis BST, BCST, dan BLST
Pola difraksi CuO annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC
Ketebalan film terhadap variasi suhu annealing
Absorbansi CuO annealing (a) 350 °C, (b) 450 °C, dan (c) 550 °C
Energi gap CuO suhu annealing (a) 350 °C, (b) 450 °C, dan (c) 550 °C
Koefisien absorpsi CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C
Koefisien peredaman CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C
Indeks bias CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C
Absorbansi film tipis BST terhadap BLST
Absorbansi film tipis BST terhadap BCST
Energi gap film tipis (a) BST, (b) BLST, dan (c) BCST
Hubungan jumlah dopant dengan nilai energi gap
Konduktivitas listrik sel surya (a) BLST/CuO dan (b) BCST/CuO
Kurva J-V Sel Surya (a) BST/CuO, (b) BCST/CuO, dan (c) BLST/CuO
Pola serapan BST dan CuO dengan kristal fotonik sebagai reflektor
3
5
6
7
8
10
11
13
14
15
16
19
20
21
22
25
27
28
31
32
33
34
35
36
38
39
41
43
46
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data ICDD-JCPDS BST dan CuO
2 Penampakan film tipis dan sel surya
3 Perhitungan nilai parameter kisi BST
4 Perhitungan parameter kisi CuO
5 Penentuan energi gap BST
6 Penentuan energi gap CuO
7 Penentuan ukuran kristal
8 Data fotokonduktivitas sel surya (3 lapisan CuO)
9 Data fotokonduktivitas sel surya (2 lapisan CuO)
10 Data dan perhitungan fotovoltaik sel surya
54
55
56
58
62
63
64
65
66
67
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Sel surya merupakan salah satu teknologi yang dikembangkan umat manusia
untuk mengatasi kelangkaan sumber daya energi tak terbarukan. Energi matahari
dalam bentuk pancaran sinar matahari merupakan sumber energi yang melimpah.
Sel surya memanfaatkan energi cahaya matahari untuk diubah menjadi energi
listrik. Oleh karena itu, sel surya sering disebut sel fotovoltaik. Sel surya ditemukan
pertama kali oleh Edmond Becquerel pada tahun 1839 ketika mengamati dua plat
cairan yang mengalirkan arus listrik kontinu ketika disinari cahaya (Soga 2006). Sel
surya yang pertama kali dikembangkan adalah sel surya berbasiskan silikon kristal
tunggal dan silikon polikristal yang efisiensinya mencapai 25% (Chopra et al.
2004). Kendala utama pengembangan sel surya khusunya di negara berkembang
seperti Indonesia adalah biaya pembuatan dan komponen yang sangat mahal
dibandingkan efisiensi operasional (persentase konversi energi matahari).
Sel surya yang telah dipergunakan sebagian besar berupa silikon baik dalam
bentuk kristal tunggal maupun dalam bentuk polikristal. Pengembangan dan
peningkatan efisiensi sel surya dalam skala lab seperti sel multijunction telah
mencapai 44%. Selain itu, sel surya dapat dibuat dari bahan organik atau gabungan
organik dan logam (hibrid) seperti dye-sensitized cells (Kirchartz et al. 2015).
Pembuatan sel surya dapat juga melalui bahan feroelektrik (Itskovsky 1999). Bahan
ferolelektrik misalnya barium strontium titanate (BaxSr1-xTiO3) atau disingkat BST
memiliki sifat opto-elektronik (peka cahaya) dan secara teoritis memiliki efsiensi
sebesar 6% (Irzaman et al. 2015). Tembaga oksida (CuO) merupakan material yang
banyak diaplikasikan sebagai sel surya fotovoltaik. Semikonduktor CuO memiliki
serapan optik yang tinggi pada cahaya tampak, tidak beracun, dan difabrikasi
dengan biaya rendah (Ray 2001). CuO merupakan semikonduktor tipe-p dengan
energi gap 1.5 – 1.9 eV yang mendekati energi gap sel surya silikon (Kidowaki et
al. 2012). Penelitian CuO menitikberatkan pada mekanisme penumbuhan, sifat
optik, dan sifat listrik.
Film tipis BST telah dibuat dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser
ablation, dan sol-gel process (Kao dan Yang 1999; Lahiry et al. 2008; Irzaman et
al. 2008) sedangkan film tipis CuO dapat dibuat dengan beberapa teknik pelapisan
seperti dip-coating, vacuum evaporation, sputtering process, chemical solution
deposition (CSD) (Kidowaki et al. 2001; Zhang et al. 2009; εugwang’a et al. 2013;
Bushra et al. 2014). Metode CSD sangat menarik untuk dikembangkan karena
memiliki kontrol stoikiometri yang baik, mudah dalam fabrikasi, dan disintesis
pada suhu ruangan (Adem 2003; Irzaman et al. 2008; Jundale et al. 2011).
Kemampuan BST dalam menyerap foton dapat ditingkatkan dengan menggunakan
kristal fotonik (Nuayi et al. 2013). Oleh karena itu kombinasi antara BST, CuO,
dan kristal fotonik dapat diterapkan sebagai sel surya.
2
Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian dan kerangka pemikiran dalam latar belakang, maka
permasalahan pembuatan sel surya dengan kombinasi BST, CuO, dan kristal
fotonik dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Pembuatan film tipis CuO dan BST menggunakan metode CSD harus
menghasilkan lapisan yang tidak mudah rontok, kuat, dan permukaan yang
rata.
2. Pemberian perlakuan tertentu pada film tipis BST dan CuO untuk
meningkatkan kualitas kristal dan mengoptimalkan sifat optiknya.
3. Penggabungan film tipis BST dan CuO diharapkan memiliki sifat fotovoltaik
dan optik yang dapat diterapkan sebagai sel surya.
4. Penggunaan kristal fotonik diharapkan dapat meningkatkan efisiensi sel
surya.
Ruang Lingkup Masalah
Berdasarkan perumusan diatas, ruang lingkup masalah pembuatan dan
karakterisasi sel surya dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Karakterisasi struktur kristal dan sifat optik CuO menggunakan variasi
ketebalan dan suhu annealing 350° C, 450°, dan 550° C.
2. Karakterisasi struktur kristal dan sifat optik BST menggunakan variasi dopant
tembaga dan litium dengan jumlah pendadah 1%, 3%, dan 5%.
3. Pengujian kepekaan cahaya sel surya menggunakan variasi dopant
(pendadah) tembaga dan litium dengan jumlah pendadah 1%, 3%, dan 5%
pada lapisan BST.
4. Menghitung efisiensi dan mengoptimalisasi efisiensi menggunakan kristal
fotonik
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah membuat jenis sel surya menggunakan bahan
BST dan CuO serta meningkatkan efisiensi sel surya dengan memasangkan kristal
fotonk. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk meningkatkan sifat optik dan
struktur kristal menggunakan perlakuan suhu annealing dan bahan pendadah.
Manfaat Penelitian
1.
2.
3.
Sebagai salah satu upaya dalam usaha pendayagunaan sumber daya energi
matahari.
Ditemukannya parameter pembuatan, perlakuan, serta kombinasi BST dan
CuO sebagai sel surya.
Pembuatan jenis sel surya baru yang dapat menunjang kemandirian dan
otonomi teknologi.
3
TINJAUAN PUSTAKA
Barium Stronsium Titanat
Fenomena Feroelektrik
Bahan feroelektrik adalah bahan yang mengalami polarisasi secara spontan
akibat adanya medan listrik dari luar. Gejala feroelektrik pertama kali ditemukan
oleh Valasek pada tahun 1912 pada garam Rochelle (Adem 2003 dan Iriani 2009).
Kristal dibagi menjadi 32 grup titik (point group) sesuai dengan simetri yang
dimiliki dan dari 32 grup titik tersebut dibagi menjadi 21 non-centrosymmctric dan
11 centrosymmctric. Kristal centrosymmctric tidak memiliki banyak sifat polar
ketika diberikan gangguan medan listrik. Kristal non-centrosymmctric memiliki
satu atau lebih sumbu polar dan merupakan vektor dan tensor pada kristal (Adem
2003). Feroelektrik merupakan bagian dari kristal non-centrosymmctric yang
memiliki polarisasi spontan. Bahan yang memiliki sifat feroelektrik secara umum
merupakan bahan yang berbentuk perovskite. Struktur perovskite adalah struktur
kristal sederhana yang berbentuk kubus dengan rumus kimia A+2B+2O3-2. Atom A
menggambarkan kation dengan jari-jari ion besar, B adalah kation dengan jari-jari
ion kecil dan O adalah atom oksigen.
Fase ferolelektrik tetragonal
Fase paraelektrik kubus
c
A
a
B
= Ba/Sr
O
=O
a
= Ti
a
P=0
a
P
a
Gambar 1 Struktur perovskite BST pada fase kubik dan tetragonal
Bahan barium stronsium titanat (BaxSr1-xTiO3) atau yang sering disingkat
BST merupakan salah satu bahan yang memiliki struktur perovskite. Atom Ba/Sr
menempati posisi A dan atom Ti menempati posisi B pada struktur perovskite
kristal. Ketika medan listrik dikenakan pada BST maka distribusi muatan total tidak
sama dengan nol sehingga terjadi kelebihan muatan pada salah satu sisi kristal yang
dinamakan polarisasi. Hal ini ditandai dengan atom pusat kristal berpindah ke posisi
yang sesuai dengan arah medan listrik yang diberikan. Bahan BST mengalami
polarisasi (feroelektrik) ketika berada di bawah suhu Curie dan bersifat paraelektrik
ketika diatas suhu Curie. Struktur perovskite BST ketika terpolarisasi dapat dilihat
pada Gambar 1. Suhu Curie barium titanat 120 °C, dengan penambahan stronsium
maka BST mengalami penurunan suhu Curie menjadi suhu kamar. Suhu Curie BST
di suhu ruangan akan sangat berguna untuk spesifikasi alat tertentu.
4
Penerapan Bahan BST
Film tipis BST merupakan bahan feroelektrik perovskite yang telah banyak
diteliti dari tahun 1990-an. Hal ini disebabkan film tipis BST mempunyai
keunggulan yaitu konstanta dielektrik yang tinggi, dielectric loss (pengurangan
dielektrik) yang rendah, konstanta dielektrik yang tinggi, dan komposisinya
tergantung suhu Curie yang mengakibatkan BST dapat bersifat feroelektrik maupun
paraelektrik. Keunggulan tersebut menjadikan film tipis BST sebagai kandidat
menggantikan SiO2 sebagai dielektrik penyimpan muatan (kapasitor), dynamic
random acces memory (DRAM), aplikasi gelombang akustik, dan tunable
microwave. (Manavalan 2005; Gurumurthy 2007; Irzaman et al. 2011;
Balachandran et al. 2012).
Selain memiliki sifat feroelektrik, film tipis BST memiliki kepekaan terhadap
cahaya (opto-electronic), peka terhadap rangsangan suhu (pyroelectric), dan peka
terhadap pengaruh tekanan (piezoelektrik). Sifat pyroelectric telah diterapkan
sebagai switch thermal infrared dan sensor infra merah (Okatan et al. 2008;
Irzaman et al. 2008; Kanareykin et al. 2010). Sifat BST telah diaplikasiskan sebagai
opto-electronic pada fotodioda (Kocanda et al. 2012 dan Dahrul et al. 2010). Selain
itu, kepekaannya terhadap cahaya telah diterapkan dalam model pengeringan
otomatis dalam pertanian (Irzaman et al. 2016).
Transisi fase feroelektrik dengan memanfaatkan efek pyroelectric non-linear
dapat diterapkan sebagai sel surya feroelektrik. Fase transisi kinetik di bawah
pengaruh perubahan suhu dalam lapisan film feroelektrik sebagai bagian dari metalferroelectric-metal (MFM) diakibatkan oleh laju pemanasan paparan energi
matahari. Sel surya film feroelektrik bekerja dengan cara menyerap energi iradiasi
matahari dan mengubah secara langsung energi termal tersebut ke dalam energi
listrik melalui efek pyroelectric non-linear (Itkovsky 1999). Pemodelan BST
sebagai bahan feroelektrik memiliki potensi efisiensi sel surya sebesar 6% dengan
menggunakan substrat silikon (Irzaman et al. 2015).
Efisiensi sel surya feroelektrik dapat dihitung melalui persamaan LandauChalatnikov. Efisiensi yang dihasilkan dalam persamaan ini berdasarakan sifat
polarisasi spontan, sifat pyroelectric dan pergeseran listrik (Itkovsky 1999).
Persamaan tersebut diungkapkan sebagai berikut:
2
Dm
Psi2
x m x 0
0 cP C
D
i
2
Dm
D
i
2
(1)
dimana Psi adalah polarisasi spontan, 0 adalah permitivitas ruang hampa, cp adalah
kalor jenis pada tekanan tetap, C adalah konstanta Curie, xm adalah electric
displacement maksumum, x0 adalah electric displacement awal. Persamaan tersebut
kemudian disederhanakan dengan menganggap nilai heating rates dan resistansi
yang besar sehingga berlaku x0 98%], etilena glikol [C2H6O2, ≥ 99%], etanol [C2H5OH, 98%]. Bahan
12
yang digunakan sebagai substrat adalah kaca kuarsa yang dicuci dengan
menggunakan aqua bidestilasi steril dan aseton PA [CH3COCH3, >98%]. Reflektor
yang dipakai adalah kristal fotonik 1 defect. Pemasangan kontak menggunakan
pasta perak dan alumunium foil. Media film tipis solar sel beserta kontaknya
menggunakan kaca preparat, kabel jumper male female, male header, dan kawat
tembaga rose gold 0.8 mm.
Alat
Penimbangan menggunakan timbangan laboratorium model AND GR-200
dan spatula lab untuk mengambil bahan dan sampel. Gelas ukur 10 ml dan botol
kaca vial untuk mengukur volume larutan dan mencampur bahan diatas Digital
Hotplate Stirrer model MSH-20D. Deposisi lapisan tipis BST dan CuO
menggunakan spin coater. Larutan diteteskan menggunakan pipet mekanik
CappTrioTM Mechanical Pipette 100 l. Pinset anatomis untuk mengambil film
tipis. Selanjutnya film tipis dimasukkan ke dalam furnace Vulcan model 3-130.
Sampel lapisan tipis dikarakterisasi struktur kristalnya dengan menggunakan
X-Ray Diffractometer (XRD) merk Shimadzu tipe MAXima. Karakterisasi Sifat
listrik film tipis yaitu pengujian pengukuran arus-tegangan menggunakan Keithley's
SourceMeter Family Model 2400 dengan program Labview dan pengujian
konduktifitas menggunakan LCR meter tipe HIOKI 3522-50 LCR HiTester dengan
program
Jajang_Labview.
Karakterisasi
sifat
optik
menggunakan
Spectrophotometer Vis-NIR Ocean Optics USB 1000 Oceanoptic dan
Spectrophotometer UV-Vis Ocean Optics USB 1000 Oceanoptic dengan program
Spectrasuite. Pengukuran intensitas cahaya yang diberikan pada film tipis
menggunakan lux meter Light Meter Lutron LX-100. Pengukuran I-V sel surya
menggunakan resistor 1 MΩ, potensiometer η00 kΩ, dan dua buah multimeter
model Fluke 28 II.
Prosedur Penelitian
Penelitian ini terdiri dari tiga tahapan. Pertama adalah pembuatan dan
karakterisai struktur serta optik film tipis CuO dengan variasi ketebalan dan suhu
annealing. Tahapan kedua adalah pembuatan dan karakterisasi struktur serta optik
film tipis BST dengan variasi dopant dan jumlah dopant. Tahapan ketiga
pembuatan sel surya dan uji listrik dari sel surya. Langkah penelitian secara umum
seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Pembuatan film tipis menggunakan metode
CSD dan pendeposisian di atas substrat menggunakan teknik spin-coating. Film
tipis CuO diberikan variasi suhu annealing untuk mengetahui optimasi dari sisi
struktur dan optik. Film tipis BST diberikan variasi pendadah (dopant) untuk
mengetahui sejauh mana pengaruhnya pada absorbansi maksimum dan energi gap.
Diagram alir pembuatan film tipis CuO dan BST secara berturut-turut dapat dilihat
pada Gambar 9 dan 10. Penelitian selanjutnya adalah menggabungkan film tipis
CuO sebagai tipe-p di atas permukaan film tipis BST yang bertindak sebagai tipen sehingga
13
Variasi suhu
annealing
Variasi jenis
dopant
Sintesis film
tipis CuO
Sintesis film
tipis BST
Variasi jumlah
dopant
Variasi
ketebalan film
Struktur
Optik
Karakterisasi
film tipis CuO
Struktur
Karakterisasi
film tipis BST
Optik
Gandeng kristal fotonik
Pengukuran
parameter
fotovoltaik
Pengujian
konduktivitas
Pembuatan
Sel Surya
BST/CuO
Perubahan
intensitas cahaya
Variasi dopant
Tanpa kristal fotonik
Perlakuan
Alur kerja Gambar 8 Diagram alir penelitian
terbentuk persambungan p-n Junction. Film tersebut kemudian diuji kepekaan
konduktifitasnya terhadap sinar matahari dan parameter fotovoltaiknya dengan
pengukuran kurva I-V. Pengukuran dilakukan dengan digandeng dan tanpa kristal
fotonik.
Pembuatan Larutan
Larutan BST dibuat dengan mencampurkan barium asetat, stronsium asetat,
dan asam asetat ke dalam botol kaca vial dan diaduk menggunakan digital hotplate
stirrer selama satu jam. Titanium isopropoksida ditambahkan dan diaduk selama
setengah jam. Perbandingan fraksi molaritas antar bahan larutan BST dapat dilihat
pada persamaa reaksi di bawah.
0.65Ba(CH3COO)2 + 0.35Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2
→ BaSrTiτ3 + 17H2O + 16CO2
(9)
Etilena glikol kemudian ditambahkan dan diaduk hingga larutan berwarna bening.
Larutan dengan perlakuan pendadahan dibuat dengan cara yang sama dengan
menambahkan senyawa pendadah pada pencampuran asam asetat sesuai dengan
ukuran yang telah dihitung. Pendadah yang digunakan adalah litium asetat dan
tembaga asetat. Larutan kemudian dipanaskan di atas hotplate selama satu jam
dengan suhu 90 °C.
14
Ba (CH3COO)2
Sr (CH3COO)2
dilarutkan
sejam dalam
CH3COOH
ditambahakan
Ti (C12O4H28)
ditambahakan
C2H6O2
dipanaskan
sejam pada
suhu 90°C
ditambahkan
Larutan BST
Li (CH3COO)2/
Cu (CH3COO)2
Penambahan 11 lapisan
spin coating
3000 rpm,
30 detik
drying
(hidrolisis)
200 °C
pirolisis
400 °C
Film Tipis BST
annealing
850 °C selama
8 jam
Gambar 9 Diagram alir pembuatan film tipis BST
Larutan CuO dibuat dengan mencampurkan tembaga asetat ke dalam larutan
etanol dengan konsentrasi yang diinginkan. Larutan diaduk di atas hotplate selama
satu jam. Etilena glikol kemudian ditambahkan dan diaduk lagi selama setengah
jam. Larutan yang terbentuk larut secara sempurna dan berwarna biru gelap.
Pembuatan Film Tipis dengan Teknik Spin-Coating
Substrat yang digunakan untuk film CuO dan BST adalah kuarsa dan kaca
preparat. Kaca preparat dan kuarsa dipotong persegi dengan ukuran 1 cm2. Substrat
sebelumnya dicuci dengan menggunakan aquades bidestilasi dan dikeringkan di
atas hotplate. Setelah itu direndam dalam larutan aseton selama 1 menit. Pencucian
dilakukan untuk mencegah partikel pengotor maupun lemak menempel sehingga
dapat mengurangi kerataan lapisan yang akan dibuat.
Proses pelapisan CuO dan BST menggunakan teknik spin-coating. Pelapisan
BST dilakukan dengan cara substrat ditetesi larutan BST sehingga seluruh
permukaan tertutupi. Substrat kemudian diputar dengan kecepatan putar 3000 rpm
selama 30 detik. Sampel dikeringkan diatas hotplate selama 10 menit pada suhu
200°C untuk menguapkan pelarut yang masih ada (hidrolisis). Sampel kemudian
didinginkan hingga mencapai suhu ruangan dan dipanaskan lagi diatas hotplate
selama 10 menit pada suhu 400°C agar terjadi pemecahan struktur kimia (pirolisis).
15
Cu (CH3COO)2
C2H5OH
dicampur dan
diaduk
selama 1 jam
ditambahkan
C2H6O2
Larutan CuO
Penambahan lapisan
annealing
selama 3 jam
drying 200 °C
selama 10
menit
spin coating
3000 rpm, 30
detik
Film tipis CuO
Gambar 10 Diagram alir pembuatan film tipis CuO
Proses ini kemudian diulang untuk mendapatkan ketebalan yang diinginkan.
Penelitian ini menggunakan 11 pelapisan. Proses selanjutnya adalah annealing pada
suhu 850 °C dengan waktu tahan 8 jam. Proses tersebut terdiri dari waktu kenaikan
2 °C/ menit, waktu tahan 8 jam, dan penurunan 2 °C/ menit.
Pelapisan CuO dilakukan dengan cara substrat diputar dengan kecepatan
3000 rpm. Substrat yang diputar kemudian ditetesi dengan larutan CuO dan
dibiarkan selama 30 detik. Sampel selajutnya dipanaskan di atas hotplate 10 menit
pada suhu 200 °C untuk menguapkan pelarut yang masih ada. Proses ini kemudian
diulang untuk mendapatkan variasi ketebalan lapisan. Penelitian CuO
menggunakan perlakuan jumlah lapisan yaitu satu lapisan, dua lapisan, dan tiga
lapisan. Sampel kemudian dipanaskan untuk proses annealing selama satu jam.
Sampel CuO diberikan variasi waktu annealing yaitu 350 °C, 450 °C, dan 550 °C.
Karakterisasi Struktur dan Optik
Karakterisasi Optik
Karakterisasi sifat optik film tipis dilakukan dengan pengukuran spektrum
serapan (absorbansi) dan mengamati daerah serapan panjang gelombang
maksimum dari film tipis. Data absorbansi yang didapatkan kemudian digunakan
untuk menentukan kontanta absorbansi, koefisien peredaman, serta band gap film
tipis yang dihasilkan. Spektrokopi sifat optik menggunakan spectrophotometer
model ocean optics DT-mini-2.
16
Pengukuran sifat optik menggunakan metode absorbansi. Tungsten Halogen
Lamp sebagai sumber gelombang (light source) ditransmisikan melalui kabel fiber
optic menuju film tipis yang selanjutnya diteruskan ke monokromator yaitu
spectrophotometer Optic USB 2000 UV-Vis. Melalui perangkat lunak Spectra-Suite
pada komputer dihasilkan hubungan absorbansi dengan panjang gelombang.
Parameter lain kemudian dapat diolah menggunakan Sigma Plot. Skema
pengukuran sifat optik film tipis dapat dilihat pada Gambar 11. Prosedur
pengambilan data adalah melakukan kalibrasi dengan merekam data saat intensitas
gelap (ID) dan intensitas tanpa sampel film tipis yang dilalui pada kaca kuarsa (IR).
Setelah itu, pengambilan data film tipis (IF). Setiap pergantian sampel harus
dikalibrasi untuk menjamin ketepatan dan keakuratan data spektroskopi.
Absorbansi adalah perbandingan intensitas radiasi maksimum dengan
intensitas radiasi yang diserap ole film tipis. Hubungan absorbansi dapat dari
persamaan:
I ID
A log 10 R
IF ID
(10)
Koefisien absorpsi (α) adalah nilai kemampuan suatu bahan dalam menyerap
radiasi yang diterimanya. Koefisien absorpsi merupakan karakteristik suatu bahan
dan merupakan fungsi absorbansi dan ketebalan film seperti yang diungkapkan
pada persamaan (11).
e d
IF ID
IR ID
(11)
Gambar 11 Set-up pengukuran absorbansi film tipis
dimana d adalah ketebalan film (cm) dan α adalah koefisien absorpsi. Apabila
persamaan (10) disubtitusikan ke persamaan (11) maka akan didapatkan persamaan
untuk menentukan nilai koefisien absorbansi (Kocanda et al. 2012).
2.303
A
d
(12)
dimana adalah absorbansi, d adalah ketebalan film (cm), dan α adalah koefisien
absorpsi. Selain koefisien absorpsi, pengurangan intensitas cahaya dapat juga
17
dihitung melalui koefisien peredaman. Koefisien peredaman didapatkan melalui
persamaan (13) (Timuda 2010; Kocanda et al. 2012):
(13)
k
4
Indeks bias film tipis dapat dihitung melalui metode Swanepoel (Swanepoel
1983). Metode tersebut menggunakan konsep transmitansi yang dapat diungkapkan
melalui persamaan (14):
n M M 2 s2
1/ 2 1/ 2
(14)
dimana n adalah indeks bias film dan s adalah indeks bias substrat (Poelman et al.
2013). Nilai M dapat ditentukan menggunakan persamaan (15):
M 2s
TM
Tm s 2 1
T M Tm
2
(15)
dimana TM dan Tm adalah transmitansi maksimum dan minimum pada panjang
gelombang tertentu. Alat spektroskopi yang dipakai telah di kalibrasi sehingga nilai
TM dan Tm bias direduksi (Pimpabute et al. 2011; Shaaban et al. 2012; Baydogan
et al. 2013). Persaaman (15) dimodifikasi menjadi pe
BST/CuO TERGANDENG KRISTAL FOTONIK
M DAHRUL
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Karakterisasi dan Optimasi
Efisiensi Sel Surya BST/CuO Tergandeng Kristal Fotonik adalah benar karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun
kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan
dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juni 2016
M DAHRUL
NIM G751130061
RINGKASAN
M Dahrul. Karakterisasi dan Optimasi Efisiensi Sel Surya BST/CuO Tergandeng
Kristal Fotonik. Dibimbing oleh HUSIN ALATAS dan IRZAMAN
Sel surya merupakan salah satu teknologi yang dikembangkan umat manusia
untuk mengatasi kelangkaan sumber daya energi tak terbarukan. Kendala utama
pengembangan sel surya khusunya di negara berkembang seperti Indonesia adalah
biaya pembuatan dan komponen yang sangat mahal dibandingkan efisiensi
operasional (persentase konversi energi matahari). Pembuatan sel surya dapat juga
melalui bahan feroelektrik yaitu BST. BST memiliki sifat opto-elektronik (peka
cahaya) dan secara teoritis memiliki efsiensi sebesar 6%. Tembaga oksida (CuO)
merupakan material yang banyak diaplikasikan sebagai sel surya fotovoltaik.
Semikonduktor CuO memiliki serapan optik yang tinggi pada cahaya tampak, tidak
beracun, dan di fabrikasi dengan biaya rendah. Kristal fotonik mampu
meningkatkan efisiensi film tipis BST. Kombinasi BST, CuO, dan kristal fotonik
diharapkan mampu menjadi sel surya jenis baru.
Film tipis BST diberikan perlakuan variasi dopant yaitu litium dan tembaga
dan persentase jumlah dopant (1%, 3%, dan 5%) untuk meningkatkan sifat optik
dan struktur BST. Film tipis CuO diberikan perlakuan variasi suhu annealing
(350 °C, 450 °C, 550 °C) dan ketebalan lapisan (satu lapisan, dua lapisan, dan tiga
lapisan) untuk meningkatkan sifat optik dan struktur CuO. Karakterisasi struktur
film tipis BST dan CuO bertujuan untuk mengetahui mempelajari tingkat
kekristalan bahan yang dibuat. Karakterisasi optik bertujuan untuk mengetahui dan
mempelajari sifat optik yang merupakan faktor utama kualitas sel surya. Pengujian
fotovoltaik bertujuan mendapatkan karakteristik fotovoltaik terutama efisiensi.
Peningkatan efisiensi sel surya menggunakan kristal fotonik.
Film tipis BST dan CuO telah berhasil dibuat dengan metode sol-gel dan teknik
spin-coating. Karakterisasi optik memperlihatkan film tipis BST, BLST, dan BCST
memiliki absorbansi daerah cahaya tampak dan mengalami penurunan energi gap
seiring dengan bertambahnya jumlah dopant. Karakterisasi optik CuO
menunjukkan film tipis CuO mengalami penurunan energi gap ketika suhu
annealing ditingkatkan. Film tipis CuO pada suhu annealing 550 °C dan energi gap
1.98 eV digunakan untuk sel surya. Data fotokonduktivitas menunjukkan bahwa
semua sel surya peka terhadap intensitas cahaya. Konduktivitas tertinggi yaitu
adalah BLST 5% sebesar 9,1 x 10-7 S/cm dan BCST 3% sebesar 28,5 x 10-7 S/cm.
Karakteristik fotovoltaik memperlihatkan efisiensi terbesar pada BST/CuO yaitu
0,009% dan adanya peningkatan arus pada pada semua sel surya. Sel surya
BLST/CuO memiliki peningkatan efisiensi terbaik sebesar 57.82% karena
bersesuaian dengan panjang gelombang PPB kristal fotonik.
Kata kunci: BST, CuO, kristal fotonik, sel surya
SUMMARY
M DAHRUL. Characterization and Optimization of BST/CuO Solar Cell
Efficiency Coupled to Photonic Crystal. Supervised by HUSIN ALATAS and
IRZAMAN.
Solar cell is one of the technologies that has been developed to solve the
scarcity of non-renewable energy resources. The main obstacle for solar cell
development in Indonesia is the cost of manufacture and components are higher
than the operating efficiency (the percentage of solar energy conversion). Solar
cells can also be made using a ferroelectric material called BST. BST has optoelectronic properties (sensitive to light) and theoretically have efficiency by 6%.
Copper oxide (CuO) is a material which is widely applied as photovoltaic solar
cells. Semiconductor CuO have high optical absorption in the visible, non-toxic,
and low cost fabrication. Photonic crystals can improve the efficiency of thin film
BST. The combination of BST, CuO, and a photonic crystal is expected to become
a new kind of solar cell.
Dopant variations (lithium and copper) were given to BST thin films with the
percentage number of dopant were 1%, γ% and η%. It’s done to improve their
optical properties and structure of the BST. To improve CuO optical properties and
structure, the thin film were made in three layers with certain thickness and the
temperature variation for this film were 350 °C, 450 °C, and 550 °C. The
characterization for BST and CuO thin films aims to determine and obtain the
crystallinity and crystallite size. Optical characterization aims to identify and study
the optical properties which is the main factor for the quality of solar cells.
Photovoltaic testing aims to obtain characteristics especially photovoltaic
efficiency. Photonic crystal is used to increase the efficiency of solar cells.
BST and CuO thin films have been successfully prepared by sol-gel method
and spin-coating techniques. Optical characterization of BST, BLST, and BCST
thin films have the absorbance on the visible region and the energy gap was
decreasing when the annealing temperature increased. Optical characterization of
CuO thin film also showed the same result. CuO thin film at the annealing
temperature of 550 °C and the energy gap of 1.98 eV was applied for solar cells.
Photoconductivity data were showed that all solar cells are sensitive to light
intensity with the highest conductivity for BLST 5% is 9.1 x 10-7 S/cm and
BCST 3% is 28.5 x 10-7 S/cm. Photovoltaic characteristics were showed that the
best efficiency for BST/CuO is 0.009% and there is an increase of current flow in
all solar cells. Solar cells BLST/CuO efficiency increases 57.82% and it is
consistent with the photonic crystal PPB wavelength.
Keywords: BST, CuO, photonic crystal, solar cell,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau
menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
KARAKTERISASI DAN OPTIMASI EFISIENSI SEL SURYA
BST/CuO TERGANDENG KRISTAL FOTONIK
M DAHRUL
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji luar komisi: Dr Yesie Widya Sari, MSi
Judul Tesis : Karakterisasi dan Optimasi Efisiensi Sel Surya BST/CuO
Tergandeng Kristal Fotonik
Nama
: M Dahrul
NIM
: G751130061
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Husin Alatas, MSi
Ketua
Dr Ir Irzaman, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Biofisika
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Mersi Kurniati, MSi
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 15 Juni 2016
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan dengan sebaikbaiknya. Judul yang dipilih dalam penelitian ini adalah Karakterisasi dan Optimasi
Efisiensi Sel Surya BST/CuO Tergandeng Kristal Fotonik. Penelitian ini
dilaksanakan sejak bulan Februari 2015 sampai Desember 2016.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Husin Alatas dan Bapak
Dr Irzaman selaku pembimbing atas nasehat spiritual, arahan, dan bimbingannya.
Di samping itu, terima kasih juga penulis ucapkan kepada Bapak Dr Akhiruddin
Maddu dan Bapak Dr Mamat Rahmat atas arahannya dalam pembuatan film tipis
serta Bapak Erus Rustami M.Si, dalam pengujian sel surya. Penghargaan penulis
sampaikan kepada Bapak Didik Ahmad dan Ibu Nella Rahmati dari Balai Penelitian
Kehutanan serta Bapak Sulis Tyono dari Badan Tenaga Atom Nasional (BATAN)
yang telah membantu selama proses pengujian bahan. Terima kasih kepada rekanrekan laboratorium biomaterial saudara Muhammad Kasasi, Febrian Vernando, dan
Sugianto serta rekan laboratorium material saudari Aah Nuraisah dan Mutiara
Khairunnisa. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada almarhum ayah, ibu,
adinda serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga karya
ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Juni 2016
M Dahrul
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang ............................................................................................... 1
Perumusan Masalah ....................................................................................... 2
Ruang Lingkup Masalah ................................................................................ 2
Tujuan Penelitian ........................................................................................... 2
Manfaat Penelitian ......................................................................................... 2
TINJAUAN PUSTAKA
3
Barium Stronsium Titanat ............................................................................. 3
Metode Chemical Solution Deposition.......................................................... 6
Sel Surya ........................................................................................................ 7
Tembaga Oksida ............................................................................................ 9
Kristal Fotonik ............................................................................................. 10
METODE
11
Tempat dan Waktu Penelitian...................................................................... 11
Bahan ........................................................................................................... 11
Alat .............................................................................................................. 12
Prosedur Penelitian ...................................................................................... 12
HASIL DAN PEMBAHASAN
22
Karakterisasi Struktur .................................................................................. 22
Karakterisasi Optik ...................................................................................... 27
Karakterisasi Fotokonduktivitas .................................................................. 40
Karakteristik I-V Sel Surya ......................................................................... 42
Absorbansi Sel Surya ................................................................................... 46
SIMPULAN DAN SARAN
47
Simpulan ...................................................................................................... 47
Saran ............................................................................................................ 47
DAFTAR PUSTAKA
48
LAMPIRAN
53
RIWAYAT HIDUP
71
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Kristalinitas dan parameter kisi film tipis BST
Ukuran kristal film tipis BST, BLST, dan BCST
Kristalinitas dan parameter kisi film tipis CuO
Ukuran kristal film tipis CuO annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC
Beberapa penelitian energi gap CuO
Koefisien absorpsi dan koefisien peredaman pada serapan maksimum
Parameter fotovoltaik sel surya tanpa kristal fotonik
Parameter fotovoltaik sel surya gandeng kristal fotonik
Peningkatan efisiensi sel surya
23
24
26
26
30
37
44
44
45
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Struktur perovskite BST pada fase kubik dan tetragonal
Mekanisme hard dan soft dopant (Uchino 2000)
Proses spin coating (Bornside et al. 1987)
Persambungan p-n sel surya
Kurva I-V sel surya
Struktur kristal CuO (Wang 2006)
Struktur kristal fotonik (Joannopoulos et al. 2008)
Diagram alir penelitian
Diagram alir pembuatan film tipis BST
Diagram alir pembuatan film tipis CuO
Set-up pengukuran absorbansi film tipis
Struktur lapisan sel surya
Rangkaian pengukuran arus tegangan sel surya
Kristal fotonik
Pola difraksi film tipis BST, BCST, dan BLST
Pola difraksi CuO annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC
Ketebalan film terhadap variasi suhu annealing
Absorbansi CuO annealing (a) 350 °C, (b) 450 °C, dan (c) 550 °C
Energi gap CuO suhu annealing (a) 350 °C, (b) 450 °C, dan (c) 550 °C
Koefisien absorpsi CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C
Koefisien peredaman CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C
Indeks bias CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C
Absorbansi film tipis BST terhadap BLST
Absorbansi film tipis BST terhadap BCST
Energi gap film tipis (a) BST, (b) BLST, dan (c) BCST
Hubungan jumlah dopant dengan nilai energi gap
Konduktivitas listrik sel surya (a) BLST/CuO dan (b) BCST/CuO
Kurva J-V Sel Surya (a) BST/CuO, (b) BCST/CuO, dan (c) BLST/CuO
Pola serapan BST dan CuO dengan kristal fotonik sebagai reflektor
3
5
6
7
8
10
11
13
14
15
16
19
20
21
22
25
27
28
31
32
33
34
35
36
38
39
41
43
46
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data ICDD-JCPDS BST dan CuO
2 Penampakan film tipis dan sel surya
3 Perhitungan nilai parameter kisi BST
4 Perhitungan parameter kisi CuO
5 Penentuan energi gap BST
6 Penentuan energi gap CuO
7 Penentuan ukuran kristal
8 Data fotokonduktivitas sel surya (3 lapisan CuO)
9 Data fotokonduktivitas sel surya (2 lapisan CuO)
10 Data dan perhitungan fotovoltaik sel surya
54
55
56
58
62
63
64
65
66
67
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Sel surya merupakan salah satu teknologi yang dikembangkan umat manusia
untuk mengatasi kelangkaan sumber daya energi tak terbarukan. Energi matahari
dalam bentuk pancaran sinar matahari merupakan sumber energi yang melimpah.
Sel surya memanfaatkan energi cahaya matahari untuk diubah menjadi energi
listrik. Oleh karena itu, sel surya sering disebut sel fotovoltaik. Sel surya ditemukan
pertama kali oleh Edmond Becquerel pada tahun 1839 ketika mengamati dua plat
cairan yang mengalirkan arus listrik kontinu ketika disinari cahaya (Soga 2006). Sel
surya yang pertama kali dikembangkan adalah sel surya berbasiskan silikon kristal
tunggal dan silikon polikristal yang efisiensinya mencapai 25% (Chopra et al.
2004). Kendala utama pengembangan sel surya khusunya di negara berkembang
seperti Indonesia adalah biaya pembuatan dan komponen yang sangat mahal
dibandingkan efisiensi operasional (persentase konversi energi matahari).
Sel surya yang telah dipergunakan sebagian besar berupa silikon baik dalam
bentuk kristal tunggal maupun dalam bentuk polikristal. Pengembangan dan
peningkatan efisiensi sel surya dalam skala lab seperti sel multijunction telah
mencapai 44%. Selain itu, sel surya dapat dibuat dari bahan organik atau gabungan
organik dan logam (hibrid) seperti dye-sensitized cells (Kirchartz et al. 2015).
Pembuatan sel surya dapat juga melalui bahan feroelektrik (Itskovsky 1999). Bahan
ferolelektrik misalnya barium strontium titanate (BaxSr1-xTiO3) atau disingkat BST
memiliki sifat opto-elektronik (peka cahaya) dan secara teoritis memiliki efsiensi
sebesar 6% (Irzaman et al. 2015). Tembaga oksida (CuO) merupakan material yang
banyak diaplikasikan sebagai sel surya fotovoltaik. Semikonduktor CuO memiliki
serapan optik yang tinggi pada cahaya tampak, tidak beracun, dan difabrikasi
dengan biaya rendah (Ray 2001). CuO merupakan semikonduktor tipe-p dengan
energi gap 1.5 – 1.9 eV yang mendekati energi gap sel surya silikon (Kidowaki et
al. 2012). Penelitian CuO menitikberatkan pada mekanisme penumbuhan, sifat
optik, dan sifat listrik.
Film tipis BST telah dibuat dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser
ablation, dan sol-gel process (Kao dan Yang 1999; Lahiry et al. 2008; Irzaman et
al. 2008) sedangkan film tipis CuO dapat dibuat dengan beberapa teknik pelapisan
seperti dip-coating, vacuum evaporation, sputtering process, chemical solution
deposition (CSD) (Kidowaki et al. 2001; Zhang et al. 2009; εugwang’a et al. 2013;
Bushra et al. 2014). Metode CSD sangat menarik untuk dikembangkan karena
memiliki kontrol stoikiometri yang baik, mudah dalam fabrikasi, dan disintesis
pada suhu ruangan (Adem 2003; Irzaman et al. 2008; Jundale et al. 2011).
Kemampuan BST dalam menyerap foton dapat ditingkatkan dengan menggunakan
kristal fotonik (Nuayi et al. 2013). Oleh karena itu kombinasi antara BST, CuO,
dan kristal fotonik dapat diterapkan sebagai sel surya.
2
Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian dan kerangka pemikiran dalam latar belakang, maka
permasalahan pembuatan sel surya dengan kombinasi BST, CuO, dan kristal
fotonik dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Pembuatan film tipis CuO dan BST menggunakan metode CSD harus
menghasilkan lapisan yang tidak mudah rontok, kuat, dan permukaan yang
rata.
2. Pemberian perlakuan tertentu pada film tipis BST dan CuO untuk
meningkatkan kualitas kristal dan mengoptimalkan sifat optiknya.
3. Penggabungan film tipis BST dan CuO diharapkan memiliki sifat fotovoltaik
dan optik yang dapat diterapkan sebagai sel surya.
4. Penggunaan kristal fotonik diharapkan dapat meningkatkan efisiensi sel
surya.
Ruang Lingkup Masalah
Berdasarkan perumusan diatas, ruang lingkup masalah pembuatan dan
karakterisasi sel surya dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Karakterisasi struktur kristal dan sifat optik CuO menggunakan variasi
ketebalan dan suhu annealing 350° C, 450°, dan 550° C.
2. Karakterisasi struktur kristal dan sifat optik BST menggunakan variasi dopant
tembaga dan litium dengan jumlah pendadah 1%, 3%, dan 5%.
3. Pengujian kepekaan cahaya sel surya menggunakan variasi dopant
(pendadah) tembaga dan litium dengan jumlah pendadah 1%, 3%, dan 5%
pada lapisan BST.
4. Menghitung efisiensi dan mengoptimalisasi efisiensi menggunakan kristal
fotonik
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah membuat jenis sel surya menggunakan bahan
BST dan CuO serta meningkatkan efisiensi sel surya dengan memasangkan kristal
fotonk. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk meningkatkan sifat optik dan
struktur kristal menggunakan perlakuan suhu annealing dan bahan pendadah.
Manfaat Penelitian
1.
2.
3.
Sebagai salah satu upaya dalam usaha pendayagunaan sumber daya energi
matahari.
Ditemukannya parameter pembuatan, perlakuan, serta kombinasi BST dan
CuO sebagai sel surya.
Pembuatan jenis sel surya baru yang dapat menunjang kemandirian dan
otonomi teknologi.
3
TINJAUAN PUSTAKA
Barium Stronsium Titanat
Fenomena Feroelektrik
Bahan feroelektrik adalah bahan yang mengalami polarisasi secara spontan
akibat adanya medan listrik dari luar. Gejala feroelektrik pertama kali ditemukan
oleh Valasek pada tahun 1912 pada garam Rochelle (Adem 2003 dan Iriani 2009).
Kristal dibagi menjadi 32 grup titik (point group) sesuai dengan simetri yang
dimiliki dan dari 32 grup titik tersebut dibagi menjadi 21 non-centrosymmctric dan
11 centrosymmctric. Kristal centrosymmctric tidak memiliki banyak sifat polar
ketika diberikan gangguan medan listrik. Kristal non-centrosymmctric memiliki
satu atau lebih sumbu polar dan merupakan vektor dan tensor pada kristal (Adem
2003). Feroelektrik merupakan bagian dari kristal non-centrosymmctric yang
memiliki polarisasi spontan. Bahan yang memiliki sifat feroelektrik secara umum
merupakan bahan yang berbentuk perovskite. Struktur perovskite adalah struktur
kristal sederhana yang berbentuk kubus dengan rumus kimia A+2B+2O3-2. Atom A
menggambarkan kation dengan jari-jari ion besar, B adalah kation dengan jari-jari
ion kecil dan O adalah atom oksigen.
Fase ferolelektrik tetragonal
Fase paraelektrik kubus
c
A
a
B
= Ba/Sr
O
=O
a
= Ti
a
P=0
a
P
a
Gambar 1 Struktur perovskite BST pada fase kubik dan tetragonal
Bahan barium stronsium titanat (BaxSr1-xTiO3) atau yang sering disingkat
BST merupakan salah satu bahan yang memiliki struktur perovskite. Atom Ba/Sr
menempati posisi A dan atom Ti menempati posisi B pada struktur perovskite
kristal. Ketika medan listrik dikenakan pada BST maka distribusi muatan total tidak
sama dengan nol sehingga terjadi kelebihan muatan pada salah satu sisi kristal yang
dinamakan polarisasi. Hal ini ditandai dengan atom pusat kristal berpindah ke posisi
yang sesuai dengan arah medan listrik yang diberikan. Bahan BST mengalami
polarisasi (feroelektrik) ketika berada di bawah suhu Curie dan bersifat paraelektrik
ketika diatas suhu Curie. Struktur perovskite BST ketika terpolarisasi dapat dilihat
pada Gambar 1. Suhu Curie barium titanat 120 °C, dengan penambahan stronsium
maka BST mengalami penurunan suhu Curie menjadi suhu kamar. Suhu Curie BST
di suhu ruangan akan sangat berguna untuk spesifikasi alat tertentu.
4
Penerapan Bahan BST
Film tipis BST merupakan bahan feroelektrik perovskite yang telah banyak
diteliti dari tahun 1990-an. Hal ini disebabkan film tipis BST mempunyai
keunggulan yaitu konstanta dielektrik yang tinggi, dielectric loss (pengurangan
dielektrik) yang rendah, konstanta dielektrik yang tinggi, dan komposisinya
tergantung suhu Curie yang mengakibatkan BST dapat bersifat feroelektrik maupun
paraelektrik. Keunggulan tersebut menjadikan film tipis BST sebagai kandidat
menggantikan SiO2 sebagai dielektrik penyimpan muatan (kapasitor), dynamic
random acces memory (DRAM), aplikasi gelombang akustik, dan tunable
microwave. (Manavalan 2005; Gurumurthy 2007; Irzaman et al. 2011;
Balachandran et al. 2012).
Selain memiliki sifat feroelektrik, film tipis BST memiliki kepekaan terhadap
cahaya (opto-electronic), peka terhadap rangsangan suhu (pyroelectric), dan peka
terhadap pengaruh tekanan (piezoelektrik). Sifat pyroelectric telah diterapkan
sebagai switch thermal infrared dan sensor infra merah (Okatan et al. 2008;
Irzaman et al. 2008; Kanareykin et al. 2010). Sifat BST telah diaplikasiskan sebagai
opto-electronic pada fotodioda (Kocanda et al. 2012 dan Dahrul et al. 2010). Selain
itu, kepekaannya terhadap cahaya telah diterapkan dalam model pengeringan
otomatis dalam pertanian (Irzaman et al. 2016).
Transisi fase feroelektrik dengan memanfaatkan efek pyroelectric non-linear
dapat diterapkan sebagai sel surya feroelektrik. Fase transisi kinetik di bawah
pengaruh perubahan suhu dalam lapisan film feroelektrik sebagai bagian dari metalferroelectric-metal (MFM) diakibatkan oleh laju pemanasan paparan energi
matahari. Sel surya film feroelektrik bekerja dengan cara menyerap energi iradiasi
matahari dan mengubah secara langsung energi termal tersebut ke dalam energi
listrik melalui efek pyroelectric non-linear (Itkovsky 1999). Pemodelan BST
sebagai bahan feroelektrik memiliki potensi efisiensi sel surya sebesar 6% dengan
menggunakan substrat silikon (Irzaman et al. 2015).
Efisiensi sel surya feroelektrik dapat dihitung melalui persamaan LandauChalatnikov. Efisiensi yang dihasilkan dalam persamaan ini berdasarakan sifat
polarisasi spontan, sifat pyroelectric dan pergeseran listrik (Itkovsky 1999).
Persamaan tersebut diungkapkan sebagai berikut:
2
Dm
Psi2
x m x 0
0 cP C
D
i
2
Dm
D
i
2
(1)
dimana Psi adalah polarisasi spontan, 0 adalah permitivitas ruang hampa, cp adalah
kalor jenis pada tekanan tetap, C adalah konstanta Curie, xm adalah electric
displacement maksumum, x0 adalah electric displacement awal. Persamaan tersebut
kemudian disederhanakan dengan menganggap nilai heating rates dan resistansi
yang besar sehingga berlaku x0 98%], etilena glikol [C2H6O2, ≥ 99%], etanol [C2H5OH, 98%]. Bahan
12
yang digunakan sebagai substrat adalah kaca kuarsa yang dicuci dengan
menggunakan aqua bidestilasi steril dan aseton PA [CH3COCH3, >98%]. Reflektor
yang dipakai adalah kristal fotonik 1 defect. Pemasangan kontak menggunakan
pasta perak dan alumunium foil. Media film tipis solar sel beserta kontaknya
menggunakan kaca preparat, kabel jumper male female, male header, dan kawat
tembaga rose gold 0.8 mm.
Alat
Penimbangan menggunakan timbangan laboratorium model AND GR-200
dan spatula lab untuk mengambil bahan dan sampel. Gelas ukur 10 ml dan botol
kaca vial untuk mengukur volume larutan dan mencampur bahan diatas Digital
Hotplate Stirrer model MSH-20D. Deposisi lapisan tipis BST dan CuO
menggunakan spin coater. Larutan diteteskan menggunakan pipet mekanik
CappTrioTM Mechanical Pipette 100 l. Pinset anatomis untuk mengambil film
tipis. Selanjutnya film tipis dimasukkan ke dalam furnace Vulcan model 3-130.
Sampel lapisan tipis dikarakterisasi struktur kristalnya dengan menggunakan
X-Ray Diffractometer (XRD) merk Shimadzu tipe MAXima. Karakterisasi Sifat
listrik film tipis yaitu pengujian pengukuran arus-tegangan menggunakan Keithley's
SourceMeter Family Model 2400 dengan program Labview dan pengujian
konduktifitas menggunakan LCR meter tipe HIOKI 3522-50 LCR HiTester dengan
program
Jajang_Labview.
Karakterisasi
sifat
optik
menggunakan
Spectrophotometer Vis-NIR Ocean Optics USB 1000 Oceanoptic dan
Spectrophotometer UV-Vis Ocean Optics USB 1000 Oceanoptic dengan program
Spectrasuite. Pengukuran intensitas cahaya yang diberikan pada film tipis
menggunakan lux meter Light Meter Lutron LX-100. Pengukuran I-V sel surya
menggunakan resistor 1 MΩ, potensiometer η00 kΩ, dan dua buah multimeter
model Fluke 28 II.
Prosedur Penelitian
Penelitian ini terdiri dari tiga tahapan. Pertama adalah pembuatan dan
karakterisai struktur serta optik film tipis CuO dengan variasi ketebalan dan suhu
annealing. Tahapan kedua adalah pembuatan dan karakterisasi struktur serta optik
film tipis BST dengan variasi dopant dan jumlah dopant. Tahapan ketiga
pembuatan sel surya dan uji listrik dari sel surya. Langkah penelitian secara umum
seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Pembuatan film tipis menggunakan metode
CSD dan pendeposisian di atas substrat menggunakan teknik spin-coating. Film
tipis CuO diberikan variasi suhu annealing untuk mengetahui optimasi dari sisi
struktur dan optik. Film tipis BST diberikan variasi pendadah (dopant) untuk
mengetahui sejauh mana pengaruhnya pada absorbansi maksimum dan energi gap.
Diagram alir pembuatan film tipis CuO dan BST secara berturut-turut dapat dilihat
pada Gambar 9 dan 10. Penelitian selanjutnya adalah menggabungkan film tipis
CuO sebagai tipe-p di atas permukaan film tipis BST yang bertindak sebagai tipen sehingga
13
Variasi suhu
annealing
Variasi jenis
dopant
Sintesis film
tipis CuO
Sintesis film
tipis BST
Variasi jumlah
dopant
Variasi
ketebalan film
Struktur
Optik
Karakterisasi
film tipis CuO
Struktur
Karakterisasi
film tipis BST
Optik
Gandeng kristal fotonik
Pengukuran
parameter
fotovoltaik
Pengujian
konduktivitas
Pembuatan
Sel Surya
BST/CuO
Perubahan
intensitas cahaya
Variasi dopant
Tanpa kristal fotonik
Perlakuan
Alur kerja Gambar 8 Diagram alir penelitian
terbentuk persambungan p-n Junction. Film tersebut kemudian diuji kepekaan
konduktifitasnya terhadap sinar matahari dan parameter fotovoltaiknya dengan
pengukuran kurva I-V. Pengukuran dilakukan dengan digandeng dan tanpa kristal
fotonik.
Pembuatan Larutan
Larutan BST dibuat dengan mencampurkan barium asetat, stronsium asetat,
dan asam asetat ke dalam botol kaca vial dan diaduk menggunakan digital hotplate
stirrer selama satu jam. Titanium isopropoksida ditambahkan dan diaduk selama
setengah jam. Perbandingan fraksi molaritas antar bahan larutan BST dapat dilihat
pada persamaa reaksi di bawah.
0.65Ba(CH3COO)2 + 0.35Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2
→ BaSrTiτ3 + 17H2O + 16CO2
(9)
Etilena glikol kemudian ditambahkan dan diaduk hingga larutan berwarna bening.
Larutan dengan perlakuan pendadahan dibuat dengan cara yang sama dengan
menambahkan senyawa pendadah pada pencampuran asam asetat sesuai dengan
ukuran yang telah dihitung. Pendadah yang digunakan adalah litium asetat dan
tembaga asetat. Larutan kemudian dipanaskan di atas hotplate selama satu jam
dengan suhu 90 °C.
14
Ba (CH3COO)2
Sr (CH3COO)2
dilarutkan
sejam dalam
CH3COOH
ditambahakan
Ti (C12O4H28)
ditambahakan
C2H6O2
dipanaskan
sejam pada
suhu 90°C
ditambahkan
Larutan BST
Li (CH3COO)2/
Cu (CH3COO)2
Penambahan 11 lapisan
spin coating
3000 rpm,
30 detik
drying
(hidrolisis)
200 °C
pirolisis
400 °C
Film Tipis BST
annealing
850 °C selama
8 jam
Gambar 9 Diagram alir pembuatan film tipis BST
Larutan CuO dibuat dengan mencampurkan tembaga asetat ke dalam larutan
etanol dengan konsentrasi yang diinginkan. Larutan diaduk di atas hotplate selama
satu jam. Etilena glikol kemudian ditambahkan dan diaduk lagi selama setengah
jam. Larutan yang terbentuk larut secara sempurna dan berwarna biru gelap.
Pembuatan Film Tipis dengan Teknik Spin-Coating
Substrat yang digunakan untuk film CuO dan BST adalah kuarsa dan kaca
preparat. Kaca preparat dan kuarsa dipotong persegi dengan ukuran 1 cm2. Substrat
sebelumnya dicuci dengan menggunakan aquades bidestilasi dan dikeringkan di
atas hotplate. Setelah itu direndam dalam larutan aseton selama 1 menit. Pencucian
dilakukan untuk mencegah partikel pengotor maupun lemak menempel sehingga
dapat mengurangi kerataan lapisan yang akan dibuat.
Proses pelapisan CuO dan BST menggunakan teknik spin-coating. Pelapisan
BST dilakukan dengan cara substrat ditetesi larutan BST sehingga seluruh
permukaan tertutupi. Substrat kemudian diputar dengan kecepatan putar 3000 rpm
selama 30 detik. Sampel dikeringkan diatas hotplate selama 10 menit pada suhu
200°C untuk menguapkan pelarut yang masih ada (hidrolisis). Sampel kemudian
didinginkan hingga mencapai suhu ruangan dan dipanaskan lagi diatas hotplate
selama 10 menit pada suhu 400°C agar terjadi pemecahan struktur kimia (pirolisis).
15
Cu (CH3COO)2
C2H5OH
dicampur dan
diaduk
selama 1 jam
ditambahkan
C2H6O2
Larutan CuO
Penambahan lapisan
annealing
selama 3 jam
drying 200 °C
selama 10
menit
spin coating
3000 rpm, 30
detik
Film tipis CuO
Gambar 10 Diagram alir pembuatan film tipis CuO
Proses ini kemudian diulang untuk mendapatkan ketebalan yang diinginkan.
Penelitian ini menggunakan 11 pelapisan. Proses selanjutnya adalah annealing pada
suhu 850 °C dengan waktu tahan 8 jam. Proses tersebut terdiri dari waktu kenaikan
2 °C/ menit, waktu tahan 8 jam, dan penurunan 2 °C/ menit.
Pelapisan CuO dilakukan dengan cara substrat diputar dengan kecepatan
3000 rpm. Substrat yang diputar kemudian ditetesi dengan larutan CuO dan
dibiarkan selama 30 detik. Sampel selajutnya dipanaskan di atas hotplate 10 menit
pada suhu 200 °C untuk menguapkan pelarut yang masih ada. Proses ini kemudian
diulang untuk mendapatkan variasi ketebalan lapisan. Penelitian CuO
menggunakan perlakuan jumlah lapisan yaitu satu lapisan, dua lapisan, dan tiga
lapisan. Sampel kemudian dipanaskan untuk proses annealing selama satu jam.
Sampel CuO diberikan variasi waktu annealing yaitu 350 °C, 450 °C, dan 550 °C.
Karakterisasi Struktur dan Optik
Karakterisasi Optik
Karakterisasi sifat optik film tipis dilakukan dengan pengukuran spektrum
serapan (absorbansi) dan mengamati daerah serapan panjang gelombang
maksimum dari film tipis. Data absorbansi yang didapatkan kemudian digunakan
untuk menentukan kontanta absorbansi, koefisien peredaman, serta band gap film
tipis yang dihasilkan. Spektrokopi sifat optik menggunakan spectrophotometer
model ocean optics DT-mini-2.
16
Pengukuran sifat optik menggunakan metode absorbansi. Tungsten Halogen
Lamp sebagai sumber gelombang (light source) ditransmisikan melalui kabel fiber
optic menuju film tipis yang selanjutnya diteruskan ke monokromator yaitu
spectrophotometer Optic USB 2000 UV-Vis. Melalui perangkat lunak Spectra-Suite
pada komputer dihasilkan hubungan absorbansi dengan panjang gelombang.
Parameter lain kemudian dapat diolah menggunakan Sigma Plot. Skema
pengukuran sifat optik film tipis dapat dilihat pada Gambar 11. Prosedur
pengambilan data adalah melakukan kalibrasi dengan merekam data saat intensitas
gelap (ID) dan intensitas tanpa sampel film tipis yang dilalui pada kaca kuarsa (IR).
Setelah itu, pengambilan data film tipis (IF). Setiap pergantian sampel harus
dikalibrasi untuk menjamin ketepatan dan keakuratan data spektroskopi.
Absorbansi adalah perbandingan intensitas radiasi maksimum dengan
intensitas radiasi yang diserap ole film tipis. Hubungan absorbansi dapat dari
persamaan:
I ID
A log 10 R
IF ID
(10)
Koefisien absorpsi (α) adalah nilai kemampuan suatu bahan dalam menyerap
radiasi yang diterimanya. Koefisien absorpsi merupakan karakteristik suatu bahan
dan merupakan fungsi absorbansi dan ketebalan film seperti yang diungkapkan
pada persamaan (11).
e d
IF ID
IR ID
(11)
Gambar 11 Set-up pengukuran absorbansi film tipis
dimana d adalah ketebalan film (cm) dan α adalah koefisien absorpsi. Apabila
persamaan (10) disubtitusikan ke persamaan (11) maka akan didapatkan persamaan
untuk menentukan nilai koefisien absorbansi (Kocanda et al. 2012).
2.303
A
d
(12)
dimana adalah absorbansi, d adalah ketebalan film (cm), dan α adalah koefisien
absorpsi. Selain koefisien absorpsi, pengurangan intensitas cahaya dapat juga
17
dihitung melalui koefisien peredaman. Koefisien peredaman didapatkan melalui
persamaan (13) (Timuda 2010; Kocanda et al. 2012):
(13)
k
4
Indeks bias film tipis dapat dihitung melalui metode Swanepoel (Swanepoel
1983). Metode tersebut menggunakan konsep transmitansi yang dapat diungkapkan
melalui persamaan (14):
n M M 2 s2
1/ 2 1/ 2
(14)
dimana n adalah indeks bias film dan s adalah indeks bias substrat (Poelman et al.
2013). Nilai M dapat ditentukan menggunakan persamaan (15):
M 2s
TM
Tm s 2 1
T M Tm
2
(15)
dimana TM dan Tm adalah transmitansi maksimum dan minimum pada panjang
gelombang tertentu. Alat spektroskopi yang dipakai telah di kalibrasi sehingga nilai
TM dan Tm bias direduksi (Pimpabute et al. 2011; Shaaban et al. 2012; Baydogan
et al. 2013). Persaaman (15) dimodifikasi menjadi pe