BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Persiapan Substrat
Silikon murni tipe-p adalah substrat yang digunakan pada penelitian ini.
Substrat ini dipotong berbentuk persegi dengan ukuran 1 cm x 1 cm dan 2 cm x 2
cm menggunakan mata intan. Setelah dipotong substrat ini kemudian dicuci
melalui 5 lima tahap pencucian seperti yang telah dijelaskan pada bagian
metodologi. Hasil keseluruhan dari proses persiapan substrat ini tentu saja adalah
silikon berukuran 1cm x 1cm dan 2cm x 2cm, dan terlihat pada silikonnya lebih
jernih seperti cermin. Tetapi karena proses pemotongan menggunakan mata
intan, bentuk substrat silikon yang diperoleh
tidak berbentuk
persegi sempurna dan. Hasil proses persiapan
substrat ini dapat dilihat pada Gambar 12.
Pembuatan Larutan BST Larutan BST yang digunakan pada
penelitian ini
dihasilkan dari
pencampuran barium asetat, stronsium asetat, dan titanium isopropoksida. Hasil
dari proses ini adalah larutan BST yang memiliki warna putih dan dibawah larutan
tersebut
terdapat endapan
yang merupakan sisa dari proses pencampuran.
Larutan BST yang sudah jadi ini harus cepat digunakan karena jika tidak larutan
ini akan membeku sehingga tidak dapat dijadikan film.
Proses Penumbuhan Film
Proses selanjutnya setelah dihasilkan larutan BST adalah penumbuhan film
pada substrat yang digunakan. Untuk melakukan proses penumbuhan film ini
digunakan proses spin coating yaitu larutan BST yang telah dibuat diteteskan
pada substrat dan di spin pada kecepatan 3000 rpm. Hasil dari proses penumbuhan
film ini adalah satu per tiga dari luas substrat silikon akan berbentuk film BST
dan sisa luasnya adalah bagian substrat silikon murni, hal ini sesuai dengan
prinsip dasar yang digunakan dalam pembuatan
sel surya
ini yaitu
persambungan p-n, dengan tipe-p nya adalah substrat silikon murni dan tipe-n
nya adalah film BST yang ditumbuhi pada substrat. Hasil proses penumbuhan film
BST ini dapat dilihat pada Gambar 13.
Proses Annealing
Proses annealing
adalah proses
pemanasan sampel pada suhu tertentu menggunakan furnace. Pada proses ini
substrat silikon yang telah ditumbuhi film BST dipanaskan pada suhu 850
C selama 29 jam. Hasil dari proses annealing ini
tidak jauh berbeda dari hasil proses penumbuhan film, hanya setelah di-
annealing film BST yang ditumbuhkan pada substrat tampak lebih padat dan
keras secara kasat mata. Hasil proses annealing dapat dilihat pada Gambar 14.
Pembuatan Kontak pada Film BST
Setelah sampel di-annealing proses selanjutnya adalah pembuatan kontak.
Sebelum dipasang kontak, dilakukan
Gambar 12. Hasil proses persiapan substrat.
Gambar 13. Hasil proses penumbuhan film.
A
sel surya
V
R 1MΩ
Gambar 11. Rangkaian pengukuran karakterisasi fotovoltaik.
proses evaporasi terlebih dahulu pada substrat menggunakan alumunium. Pada
pemasangan kontak ini digunakan pasta perak karena konduktivitas bahannya
lebih tinggi jika dibandingkan dengan bahan yang lain. Proses pemasangan
kontak ini membutuhkan konsentrasi dan harus hati-hati karena film maupun
substrat silikon murni pada sampel tersebut tidak boleh tersentuh oleh tangan.
Hasil dari proses pemasangan kontak ini dapat dilihat pada gambar 15.
Penghitungan Nilai Efisiensi
Program komputasi penghitungan nilai efisiensi ini hanya dapat dijalankan pada
software Matlab. Untuk menjalankannya cukup
menyalinkan baris
pertama program tersebut di bagian command
window dari Matlab dan memasukkan nilai Psi,
εo, cp, dan C yang sesuai dengan material yang digunakan. Berdasarkan
literatur untuk BST nilai Psi nya adalah 7,66 μCcm
2
, Cp = 2,5 x 10
6
J m
3
K , C =
1300 C = 1,573 x 10
3
K , εo = 8,854 x 10
- 16
C
2
N cm
2
.
3,19
Dari program komputasi ini hasil yang akan didapatkan adalah
berupa grafik efisiensi � terhadap
pergeseran listrik Xo dari sel surya. Hasil kinerja dari program ini dapat
dilihat pada Gambar 16. Pada grafik tersebut terlihat nilai efisiensi untuk sel
surya dengan material NaNO
2
kurva1, LiTaO3 kurva 2, Triglycine Sulphate
dankurva 4 juga Barium Stronsium Titanat BST kurva 3 yang digunakan
pada penelitian ini.
Dari grafik tersebut terlihat bahwa nilai efisiensi untuk sel surya dengan
material BST lebih besar dari NaNO
2
tetapi lebih kecil dibandingkan LiTaO
3
dan TGS. Nilai efisiensi sel surya BST berdasarkan
program komputasi
ini dihasilkan nilai maksimumnya adalah
6,199474, hasil ini jika dibandingkan dengan praktik di lab sangat jauh berbeda.
Berdasarkan hasil lab didapat nilai efisiensi sel surya untuk BST adalah
0,000014285. Perbedaan hasil antara praktik di lab dengan tinjauan teori ini
dapat disebabkan karena beberapa hal, diantaranya yang sangat memungkinkan
ialah lapisan film BST tidak terdeposisi secara merata pada substrat silikon pada
saat spin coating. Tidak terdeposisinya lapisan BST secara merata akan sangat
mempengaruhi
aliran difusi
antara elektron dan hole pada persambungan p-n.
Gambar 14. Hasil proses annealing. Gambar 15. Hasil pembuatan kontak
pada sampel.
Gambar 16. Grafik efisiensi terhadap Xo.
4
2 3
1
E fis
ie n
si
X
o
Seperti yang telah diketahui bahwa arus listrik merupakan aliran elektron tiap
satuan waktu.
19
Hal ini lah yang menyebabkan mengapa arus dan tegangan
listrik yang dihasilkan sel surya BST ini sangat kecil, sehingga menyebabkan
efisiensi konversi energi foton dari matahari menjadi energi listrik bernilai
tidak sesuai dengan tinjauan teori. Seharusnya pada saat sampel telah selesai
dibuat, dilakukan karakterisasi terlebih dahulu menggunakan Scanning Electron
Microscope SEM untuk memastikan deposisi film BST telah merata sebelum
dilakukan karakterisasi lainnya.
Karakterisasi I-V
Pada karakterisasi I-V ini sampel sel surya yang telah dibuat dihubungkan
dengan alat I-V meter secara langsung, kemudian pada alat I-V meter tersebut
diatur besar tegangan catunya yaitu dari - 1,0 volt sampai +1,0 volt untuk sampel sel
surya yang berukuran 1 cm x 1 cm dan untuk sampel yang berukuran 2 cm x 2
cm tegangan catu yang diberikan adalah dari -1,0 volt sampai +1,0 volt. Hasil dari
pengujian I-V ini dapat dilihat pada Gambar 17 untuk sampel yang berukuran
1 cm x 1 cm dan Gambar 18 untuk sampel yang berukuran 2 cm x 2 cm.
-6.00E-04 -4.00E-04
-2.00E-04 0.00E+00
2.00E-04 4.00E-04
6.00E-04 8.00E-04
1.00E-03
-1.50E+01 -1.00E+01
-5.00E+00 0.00E+00
5.00E+00 1.00E+01
1.50E+01
A rus
A
Tegangan V
x=0,5 x=0,6
x=0,7 x=0,8
Gambar 18. Hasil Karakterisasi I-V sampel berukuran 2 cm x 2 cm.
-6.00E-04 -4.00E-04
-2.00E-04 0.00E+00
2.00E-04 4.00E-04
6.00E-04 8.00E-04
-1.50E+01 -1.00E+01 -5.00E+00 0.00E+00 5.00E+00
1.00E+01 1.50E+01
A rus
A
Tegangan V
x=0,5 x=0,6
x=0,7 x=0,8
Gambar 17. Hasil Karakterisasi I-V sampel berukuran 1 cm x 1 cm.
Kurva hasil pengukuran I-V meter tersebut menunjukan hasil bias mundur
dan maju yang diberikan kepada sampel sel surya BST dengan cara memberinya
tegangan catu. Bias mundur dilakukan pada
sampel dengan
memberikan tegangan catu yang bernilai minus sampai
nol, sedangkan bias maju dilakukan dengan memberikan tegangan catu dari
nol sampai positif. Kedua grafik tersebut memperlihatkan pola yang sama yaitu
pada saat bias mundur, respon arus listrik yang dihasilkan sama-sama bernilai
negatif hingga ketika di nol respon arusnya juga bernilai nol. Dan pada saat
bias maju respon arus listrik yang dihasilkan sama-sama bernilai positif.
Setelah dibandingkan dengan literatur pola bias mundur dan bias maju pada
kurva tersebut menunjukan bahwa sampel yang dibuat baik yang berukuran 1 cm x 1
cm maupun yang berukuran 2 cm x 2 cm sama-sama memiliki sifat dioda. Hal ini
menunjukan
bahwa prinsip
dasar persambungan p-n pada sel surya tersebut
bekerja, karena
persambungan p-n
merupakan dioda yang dibuat dari penghubungan semikonduktor tipe-p dan
semikonduktor tipe-n,
dimana pada
sampel sel surya BST ini yang menjadi
229.8 269.6
270.4 314.1
53.9 54.5
56.6 56.8
4.5 7.6
7.9 10.9
1.6 2.7
3.3 3.4
50 100
150 200
250 300
350
100 200
300 400
500 600
700
K o
n d
u kt
iv itas
Li str
ik Sc
m 10E
-7
Intensitas Lux
0,5 0,6
0,7 0,8
Gambar 20. Hasil Karakterisasi konduktivitas listrik sampel 2 cm x 2 cm.
84.9 117.6
146.5 188.2
121.3 118.6
125.01 129.1
0.8 0.81
1.9 2.2
0.6 0.97
0.99 1.56
20 40
60 80
100 120
140 160
180 200
100 200
300 400
500 600
700
K o
n d
u kt
iv itas
Li str
ik Sc
m 10E
-7
Intensitas Lux
0,5 0,6
0,7 0,8
Gambar 19. Hasil Karakterisasi konduktivitas listrik sampel 1 cm x 1 cm.
semikonduktor tipe-p nya adalah silikon murni sedangkan tipe-n nya adalah film
BST.
Karakterisasi Konduktivitas Listrik
Untuk karakterisasi
konduktivitas listrik,
pengujiannya dilakukan
menggunakan LCR meter dimana sampel sel surya BST ini diberikan perlakuan
berupa variasi intensitas penyinaran. Variasi intensitas yang diberikan adalah
pada saat kondisi 0 lux, 200 lux, 400 lux, dan 600 lux untuk masing-masing sampel.
Data hasil pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 19 dan Gambar 20.
Data awal yang diperoleh pada karakterisasi ini ialah nilai konduktansi
G yang dapat dilihat pada alat LCR meter. Selanjutnya data konduktansi ini
diolah dengan menggunakan persamaan 3 untuk mendapatkan nilai konduktivitas
listrik. Sehingga dari nilai konduktivitas listrik ini dapat ditentukan apakah sampel
yang dibuat ini tergolong kedalam material semikonduktor atau bukan.
Berdasarkan hasil karakterisasi ini terlihat bahwa ketika sampel diberikan
intensitas penyinaran yang semakin besar maka nilai konduktivitas listrik yang
dihasilkan juga menunjukan hasil yang semakin besar. Perubahan yang mencolok
terjadi pada sampel BST dengan fraksi mol 0,5 baik yang berukuran 1 cm x 1 cm
maupun yang berukuran 2 cm x 2 cm. Terlihat pada hasil karakterisasi tersebut
perubahan konduktivitas listriknya sangat signifikan jika dibandingkan dengan
perubahan konduktivitas listrik untuk sampel BST dengan fraksi mol yang lain.
Dari
sini muncul
dugaan bahwa
banyaknya kehadiran ion-ion stronsium Sr yang merupakan salah satu unsur
penyusun dari
material BST
mempengaruhi juga nilai konduktivitas, karena dari hasil karakterisasi tersebut
untuk BST dengan fraksi mol 0,5 jumlah ion-ion stronsiumnya merupakan yang
terbanyak dibandingkan dengan sampel BST dengan fraksi mol yang lain. Selain
itu konduktivitas listrik yang dihasilkan oleh masing-masing sampel ini juga tidak
terlepas dari beberapa faktor yang menentukan seperti besar jarak antar
kontak dan besar luas kontak pada sampel itu sendiri. Hal ini bisa menjadi salah satu
penyebab mengapa terjadi perbedaan nilai konduktivitas listrik pada sampel selain
faktor lain seperti struktur mikroskopis dari film BST itu sendiri. Hal lain yang
dapat dilihat dari hasil karakterisasi ini ialah nilai konduktivitas listrik yang
dihasilkan semua sampel mempunyai range dari 10
-8
Scm – 10
-5
Scm. Range nilai ini jika dilihat pada literatur jenis
material berdasarkan
konduktivitas listriknya maka akan menunjukan bahwa
sampel BST yang dikarakterisasi ini tergolong material semikonduktor dimana
seperti yang diketahui bahwa material semikonduktor memiliki range nilai dari
10
-8
Scm – 10
3
Scm.
20
Karakterisasi Konstanta Dielektrik Pengujian
untuk mencari
nilai konstanta dielektrik dari masing-masing
sampel dilakukan dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 10.
Dimana sinyal datang dari function generator dialirkan menuju sampel sel
surya BST yang kemudian diamati hasil perubahan sinyal tersebut pada osiloskop.
Dari osiloskop tersebut akan diperoleh data time constant yang kemudian diolah
untuk mendapatkan nilai kapasitansi dari sampel BST tersebut. Kemudian untuk
mendapatkan nilai konstanta dielektrik gunakan persamaan kapasitansi. Hasil
karakterisasi ini dapat dilihat pada Gambar 21 sampai Gambar 29 dimana
kurva
tersebut merupakan
sinyal gelombang yang muncul di osiloskop
pada saat
sebelum dan
sesudah dihubungkan dengan sampel.
Gambar 21. Sinyal awal yang muncul di Osiloskop.
Ukuran fraksi
mol x CBST
nF k konstanta
dielektrik 1cm x 1cm
0,5 1,1
16,2 0,6
1 27,8
0,7 1
8,91 0,8
1 21,0
2cm x 2cm 0,5
1,3 16,0
0,6 1,2
4,5 0,7
1,2 6,18
0,8 1
4,15 Gambar 22. Sinyal pada sampel
[x = 0,5 1cm x 1cm].
Gambar 23. Sinyal pada sampel [x = 0,6 1 cm x 1 cm].
Gambar 24. Sinyal pada sampel [x = 0,7 1cm x 1cm].
Gambar 25. Sinyal pada sampel [x = 0,8 1cm x 1cm].
Gambar 26. Sinyal pada sampel [x = 0,5 2 cm x 2 cm].
Gambar 27. Sinyal pada sampel [x = 0,6 2 cm x 2 cm].
Gambar 28. Sinyal pada sampel [x = 0,7 2 cm x 2 cm].
Gambar 29. Sinyal pada sampel [x = 0,8 2 cm x 2 cm].
Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik sampel.
Dari hasil sinyalgelombang yang muncul di osiloskop menunjukan bahwa
bagian yang naik pada sinyalgelombang tersebut menunjukan bahwa sampel
sedang melakukan charge menyimpan sedangkan bagian yang turun dari
sinyalgelombang tersebut adalah kondisi discharge. Kondisi charge-discharge ini
menunjukan bahwa sampel memiliki sifat seperti
kapasitor dengan
bahan dielektriknya
sebagai penyebabnya.
Bahan dielektrik dalam sampel ini ialah film BST itu sendiri. Dan karakterisasi
ini bertujuan untuk mendapatkan nilai dilektrik dari sampel yang telah dibuat,
nilai konstanta dielektrik yang diperoleh merupakan gambaran dimana material
tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor
sebagai penyimpan muatan.
Dari grafik-grafik yang muncul di osiloskop, kelengkungan pada sinyal
kotak menunjukan terjadinya aktifitas penyimpanan muatan pada sampel BST
tersebut. Dari hasil pengujian didapatkan bahwa nilai konstanta dielektrik dari
semua sampel yang diuji memiliki nilai yang berkisar diantara 4,15 sampai 27,8.
Perbedaan nilai ini dapat terjadi karena beberapa faktor seperti faktor mikroskopis
yang berasal dari struktur film BST itu sendiri dan faktor yang berasal dari luar
yaitu karena ukuran luas film dan tebal film BST dari masing-masing sampel.
Dari pengukuran terhadap luas film dan tebal film didapat hasil yang tidak
homogen dalam artian masing-masing sampel memiliki tebal dan luas film yang
berbeda-beda. Karakterisasi Fotovoltaik
Karakterisasi fotovoltaik digunakan untuk melihat keluaran dari sel surya yang
telah dibuat.
Rangkaian untuk
karakterisasi fotovoltaik ini dapat dilihat pada Gambar 30 dimana pada rangkaian
tersebut digunakan ampermeter dan voltmeter
untuk melihat
arus dan
tegangan yang dihasilkan. Dan hasil karakterisasi ini dapat dilihat pada grafik
I-V sel surya pada Gambar 25. Hasil dari karakterisasi fotovoltaik
yang telah dilakukan pada prototipe sel surya BST sesuai dengan karakterisasi sel
surya pada umumnya dimana hubungan antara arus dan tegangannya berbanding
terbalik secara eksponensial. Artinya pada saat pengukuran arus yang terbaca pada
ampermeter mengalami kenaikan maka besar tegangan yang terukur di voltmeter
mengalami penurunan dan begitu pula sebaliknya. Hasil karakterisasi ini juga
2E-08 4E-08
6E-08 8E-08
0.0000001 1.2E-07
1.4E-07 1.6E-07
1.8E-07 0.0000002
0.00E+00 1.00E-02
2.00E-02 3.00E-02
4.00E-02 5.00E-02
A ru
s A
Tegangan V
karakteristik I-V nilai maksimum
Gambar 30. Hasil fotovoltaik untuk 4 buah sel surya yang diparalelkan.
1.0E-07 2.0E-07
menunjukan bahwa tegangan maksimum yang dapat dihasilkan oleh sel surya
tersebut ialah 2,6 x 10
-2
volt sedangkan arus maksimum yang dapat dihasilkan
bernilai 1,24 x 10
-7
Ampere, dari data arus dan tegangan maksimum ini dapat
diperoleh besar daya maksimum yang dihasilkan oleh sel surya tersebut adalah
3,22 x 10
-9
watt. Dari data ini dapat diperoleh nilai Voc
yang merupakan tegangan terbesar pada rangkaian tebuka
dan Isc yang didapat ketika tegangannya
bernilai minimum yaitu 3.89 x 10
-2
volt dan 1.74 x 10
-7
Ampere, dan dari data- data ini diperolehlah nilai FF fill factor
sebesar 0,476. Hasil karakterisasi ini merupakan hasil dari 4 empat buah sel
yang dipasang secara parallel, hal ini dilakukan karena untuk 1 buah sel ketika
dilakukan karakterisasi tidak diperoleh nilai pada ampermeter dan voltmeternya.
Besar arus
dan tegangan
yang diperoleh dari karakterisasi fotovoltaik ini
belum memberikan
hasil yang
mengejutkan, karena untuk satu buah sampel sel surya ditargetkan dapat
menghasilkan arus
yang besarnya
minimal 0,1 atau 0,01 miliampere sedangkan
teganganya ditargetkan
bernilai 1 atau 0,1 volt. Dan hasil ini sebenarnya masih tergolong kecil untuk
ukuran sel surya. Namun dari hasil karakterisasi
fotovoltaik ini
mengindikasikan bahwa film BST yang dideposisikan di atas substrat silikon
dapat menimbukan persambungan p-n. Selain itu arus dan tegangan yang
dihasilkan dari efek fotovoltaik ini juga menunjukan adanya gerak difusi dari
elektron dan hole yang memperoleh energi foton akibat adanya penyinaran
dari sumber cahaya.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN