PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

DEPOSISI LAPISAN TIPIS A&,CuInSe-SiP PADA SUBSTRATKACA UNTUK MENGHASILKAN SAMBUNGAN P-N

Giri SlametPTAPB-BATAN

ABSTRAK

DEPOSISI LAPISAN TIPIS Ag/CuinSe-SiP PADA SUBSTRA T KACA UNTUKMENGHASILKAN SAMBUNGAN P-N. Deposisi lapisan tipis CulnSe2 dilakukandengan metode RF sputtering pada daya 200 Watt, jarak elektroda 20 mm, tekanan2x10-2 mbar. Selanjutnya dilakukan pengamatan tegangan dan arus fotovoltaikdengan multimeter digital. Pada pendeposisian lapisan Ag dan SiP digunakan DCmagnetron dengan parameter deposisi yaitu : HV generator 0,5 kV dan 40 mA, jarakelektroda 12 mm, tekanan gas argon 3 x W·2 mbar, waktu deposisi Ag adalah 10menit serta variasi waktu deposisi SiP yaitu 10 menit, 12 menit, 14 menit, 16 menitdan 18 menit. Hasil pengamatan arus dan tegangan menunjukkan bahwa lapisan tipisdengan parameter preparasi waktu deposisi SiP 18 menit menghasilkan efekfotovoltaik yang optimal yaitu 0,30 mA pada 323 m V. Pada sel surya yangdirangkaikan seri dan paralel mampu meningkatkan efek fotovoltaik masing-masingberturut sebesar 0,15 mA pada 1320m V; 3,5 mA pada 305 m V.

ABSTRACT

DEPOSITION OF Ag/CuJnSeiSiP THIN FILMS ON THE GLASS SUBSTRA T TOPREPARE PN-JUNCTION CONECTED. The deposition of CulnSe2 thin film wasdone by using RF sputtering method with the power of 200 watt, electrode distance of20 mm, chamber pressure of 2x1(J2 mbar. Further the voltage and the photovoltaiccurrent are measured by using digital multimeter. Sputtering method DC magnetronwas used to prepare films Ag and SiP, with the following parameter of deposition HVpower 0.5 kV and 40 mA, electrode distance 12 mm, argon pressure 3 x 1(J2mbar,time deposition 10 minute for Ag and also variation of deposition time for SiP, 10minutes, 12 minute, 14 minutes, 16 minutes and 18 minutes. The Result ofmeasurement shown that thin films, which was deposited for 18 minutes (for SiP)produced optimum effect of fotovoltaic that is 0.3 mA at 323 mV. The solar cell asseries and parallel conected is able to improve the effect of fotovoltaic O. 15 mA at1320 mV; 3.5 mA at 305 mV.

PENDAHULUAN

Ada beberapa energi alam sebagai energialtematif yang bersih, tidak berpolusi, amandan dengan persediaan yang tidak terbatas. Oian tara sumber energi terbarukan yang saat inidikembangkan diantaranya : turbin angin, tenaga air(hydro power), energi gelombang air laut, tenagasurya, tenaga panas bumi, tenaga hidrogen, dan bio­energi. Tenaga surya atau solar sel merupakan salahsatu sumber energi yang tidak menghasilkan emisiCO2 atau gas berbahaya lainnya. Energi surya ataudalam dunia internasional dikenal sebagai solar cellatau photovoltaic cell, merupakan sebuah divais

semikonduktor yang memiliki permukaan yang luasdan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, yangmampu mengubah energi sinar matahari menjadienergi listrik. [I]

Pada tengah hari yang cerah radiasi sinarmatahari mampu mencapai 1000 Watt per meterpersegi.(4) Jika sebuah divais semikonduktor seluassatu meter persegi memiliki efisiensi 10 persenmaka modul solar sel ini mampu memberikantenaga listrik sebesar 100 Watt. Saat ini efisiensimodul solar sel komersial berkisar antara 5 hingga15 persen tergantung material penyusunnya. Tipesilikon single kristal merupakan jenis divais solar

Giri Siamet ISSN 1410 - 8178 401

PROSIDING SEMINAR

PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

sel yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biayapembuatannya relatif lebih mahal dibandingkanjenis solar sellainnya. [2]

Percobaan pembuatan sel surya merupakanlangkah awal, dengan harapan kemudian bisadigunakan menghidupkan peralatan elektronik dankebutuhan peralatan rumah tangga. Untuk dapatmenghidupkan peralatan elektronik harusdigunakan beberapa sel surya yang tersusun secaraseri sehingga tegangan dapat mencapai sesuaikebutuhan. Cara menghubungkan sel surya secaraseri, dibuatkan beberapa pasang tempat elektroda,yaitu elektroda belakang dan elektroda depan selsurya. Sel surya yang diseri dibuat dari lapisan tipisCulnSerSiP membentuk hubungan p-njunction. [3][I)

Pada percobaan ini, dilakukan untukmengetahui besarnya tegangan fotovoltaik sel suryasambungan p-n CulnSe2-SiP menggunakan teknikRF sputtering. HasiI yang diperoleh diharapkandapat memberikan sedikit kontribusi dalam bidangpembuatan sel surya.

Kemajuan dari penelitian materialsemikonduktor sebagai bahan inti solar cell menjadifaktor kunci bagi pengembangan fabrikasi sel surya.Pada teknologi sel surya, terdapat beberapa materialyang dapat digunakan untuk fabrikasi sel surya,diantaranya kristal tunggal silikon sebagai pioneryang mampu menghasilkan efisiensi lebih dari 20 %untuk skala riset. Dalam skala produksimodul/panel sel surya kristal silikon yangdihasilkan berefisiensi sekitar 12 %. Penggunaanmaterial ini dalam bentuk lempengan (wafer) masihdigolongkan mahal dan volume produksi lempengsilikon belum dapat mencukupi kebutuhan pasarapabila terjadi penggunaan sel surya secara massal.Saat ini telah dikembangkan sel surya yang terbuatdari film tipis (thin film solar cells) yang biayanyalebih murah dan dapat diproduksi secara massal. Diantaranya ada tiga material yang sedangdikembangkan secara intensif yaitu CulnSe2 (ataupaduannya seperti CulnS2 atau CulnGaSe2), CdTedan silikon amorf. Material ini memiliki tingkatefisiensi sekitar 10 %. Untuk ketiga material di atashanya dibutuhkan ketebalan sekitar satu mikronpada pembentukan sel surya yang efisien danbiayanya rendah. Ketiga material tersebutmempunyai daya absorbsi yang tinggi.[4]

Pad a percobaan ini dilakukan preparasilapisan tip is sel surya susunan Ag/CulnSe-SiP diatas substrat kaca, kemudian dilakukan pengukuranarus dan tegangan pada sel surya yang dirangkaiseri, paralel maupun paduan seri- paralel.Karakterisasi arus-tegangan dimaksudkan untukmengetahui karakter sel surya sebagai uji kinerjalapisan tipis untuk menunjukkan efek fotovoltaik.Dengan karakterisasi arus-tegangan dapat

ditentukan besarnya efisiensi dari lapisan tipis selsurya yang dihasilkan.(4]

TAT A KERJA

Deposisi lapisan tipis p-n junctionAg/CulnS~-SiP dikerjakan dengan metodesputtering. Adapun pelaksanaannya dilakukanbeberapa tahapan yaitu : penyiapan perangkatpreparasi, penyiapan bahan, pendeposisian.Pengukuran arus dan tegangan dengan caramenghubungkan beberapa sel surya secara seri danparalel.

Peralatan yang digunakan : sistem vakum,buatan PFEFFER VACUUM, Baltzers Instruments,Jerman, DC magnetron dan Generator RF, tabungsputtering berbentuk siIinder yang terbuat daristainless steel dengan diameter 285 mm dan tinggi200 mm, dua buah elektroda yaitu katoda sebagaitempat target dan anoda sebagai tempat substratdengan jarak pisah antara keduanya 12 mm,ultrasonic cleaner yang digunakan untukmembersihkan kaca substrat dari segal a kotoran.

Bahan yang digunakan dalam penelitian iniadalah : target Ag berbentuk wafer dengan diameter75 mm, target CulnSe berbentuk wafer dengandiameter 75 mm, target SiP berbentuk wafer dengandiameter 75 mm, kaca preparat berukuran panjang33 mm dan lebar 12 mm, gas argon dengankemumian 99,99%, alkohol untuk membersihkansubstrat.

Deposisi lapisan tipis menggunakan RFdan DC magnetron sputtering adalah sebagaiberikut : Pada RF Sputtering, digunakan RF (RadioFrequency) yang bekerja pada 13,56 MHz sebagaigenerator, dan merupakan bagian yang takterpisahkan dalam sistem osilator. Sistem inidihubungkan pada sebuah amplifier sehingga dapatdigunakan sebagai generator (pembangkit) padaproses deposisi, sedangkan pada DC magnetronmenggunakan magnet dan diletakkan di bawahtarget seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gas aryoll

HV-DCPower supply

GeneratorRF

POfl1p.l Turbo P0fl1ll.1rot.lIY

Gambar I. Sistem RF dan HV-DC magnetronsputtering

Langkah awal proses deposisi adalahmemasang target Ag, CulnSe, SiP pada elektrodanegatif (katoda) sedangkan substrat kaca dipasangpada elektroda positif (anoda) lalu menutup

402 ISSN 1410 - 8178 Giri Siamet

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Substrat kaca

Gambar 2. Struktur lapisan tipis sel suryaAgiCulnSe2 sistem grid.

Pengukuran arus dan tegangan

Pengukuran arus dan tegangan sebagai ujikinerja lapisan tip is yang telah dibuat, dilakukandengan mengukur tegangan dan arusnya sesuai alurkerja seperti Gambar 3.

chamber dan semua venti I. Setelah itu pompa rotaridan kipas pending in dihidupkan. Apabila tekanantelah mencapai 1,5 x 10.2 mbar, sistem airpendingin pompa turbo dialirkan, lalumenghidupkan pompa turbo dan ditunggu sampaimencapai tekanan ± 3x I0.5 mbar. Sete!ah tekanantercapai, sistem air pendingin target dialirkan lalukran gas argon dibuka.

Langkah berikutnya adalah menghidupkantegangan DC. Besamya arus 60 mA dan tegangan0,5 kV sambil mengalirkan gas argon sampai terjadidischarge plasma. Aliran gas argon diatur sehinggadiperoleh tekanan yang diinginkan 3 x 10.2 mbar,jarak elektroda 12 mm dan waktu deposisi selama10 menit.

Setelah terbentuk lapisan Ag, maskerdipasang di atasnya sebagai kontak belakang.Proses selanjutnya adalah pendeposisian lapisanCulnSe sebagai semikonduktor tipe p, di atas Ag.Proses preparasi dilakukan dengan teknik RFsputtering dengan parameter deposisi meliputi dayagenerator 200 W, tegangan self-bias 1000 Volt,tekanan argon 3 x 10.2 mbar, jarak antar elektroda23 mm dan waktu deposisi 20 menit.

Pendeposisian lapisan SiP sebagai tipe nberada di atas lapisan CulnSe dilakukan dengansistem DC magnetron. Selanjutnya mengulangilangkah-Iangkah di atas dengan parameter sebagaiberikut : daya generator 18 Watt, tekanan argon 3 x10'2 mbar, jarak elektroda 12 mm dan variasi waktudeposisi, yaitu: 10, 12, 14, 16 dan 18 menit. Adapunstruktur lapisan tip is sistem grid sel suryaditunjukkan pada Gambar 2.

Ag

Sel so!)'adirangkaiParalel

Sumbu _x Sumbu Y

Sel suryadirangkai!en

1o(R)

Sumbu IX·

Sel so!)'atunggal

Waktu deposisi TeganganArus fotovoltaik

laoisan SiP (menit)fotovoltaik (mV)(mA\

10

2400,2012

3220,21

14

2400,20

16

3200,15

18

3230,30

HAStL DAN PEMBAHASAN

Gambar 4. Skema pengukuran arus-teganganfotovoltaik

(a). Sel tunggal (b). Paralel (c). Seri

Pengukuran arus dan tegangan fotovoltaikdilakukan pada setiap sel surya tunggal serta selsurya yang dirangkai dalam rangkaian seri danparale!. Di atas lapisan tipis sel surya, diberikanlapisan plat tembaga, agar lapisan tidak rusak olehgesekan jarum multimeter. Skema pengukuran arusdan tegangan pada se! surya tunggal, kombinasirangkaian seri, paralel, ditunjukkan pada Gambar 4,dengan sumbu X menunjukkan pengukurantegangan dan sumbu Y menunjukkan pengukuranarus.

Setelah dilakukan pengamatan efekfotovoltaik pada masing-masing sel surya,selanjutnya dilakukan pengukuran efek fotovoltaiksel surya yang dirangkai seri dan paralel. Sel suryayang dirangkaikan seri maupun paralel bertujuanuntuk memperoleh optimalisasi arus, tegangan dandaya keluaran dari sel surya.

Set surya tunggat

Dari hasil pengukuran arus dan teganganfotovoltaik dari kelima sel surya untuk berbagaivariasi waktu deposisi lapisan SiP diperoleh datadalam Tabel 1.

Tabel 1. Pengukuran tegangan dan arusfotovoltaik dari sel surya tunggal

SiP

...............CulnSe

''>-

Gambar 3. Alur uji kinerja lapisan tipis sel surya

Pad a proses deposisi bahan, ketebalanlapisan sebanding dengan lamanya waktu deposisi,semakin lama waktu deposisi maka semakin tebal

Giri Siamet ISSN 1410 - 8178 403

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

pula lapisan yang dihasilkan. Hal ini disebabkansemakin lama waktu deposisi maka atom-atomtarget yang terdeposisikan semakin banyak.Ketebalan lapisan berpengaruh terhadap kenaikantahanan listrik sambungan p-n. Dengan semakintebal lapisan yang terdeposisi di atas substrat belumtentu menghasilkan efek fotovoltaik yang optimal.SiP merupakan lapisan material tipe-n yangmemiliki sifat transparan, sehingga tidakmenganggu transmisi foton cahaya matahari darisemikonduktor tipe-n menuju absorber. Daripengukuran fotovoltaik pada sambungan p-ndiperoleh tegangan terkecil 240 mY pada waktudeposisi 10 menit dan arus terkecil 0,15 mA padawaktu deposisi 16 menit. Sedangkan pengukuranefek fotovoltaik pad a sambungan p-n diperolehtegangan dan arus terbesar yaitu 323 mY dan 0,30mA untuk lapisan tipis dengan waktu deposisi 18menit.

Sel surya yang dirangkai seri

Dalam percobaan dilakukan pengukuranarus dan tegangan pada 5 sel surya yang telahdirangkai dalam rangkaian seri pada circuit-box.Untuk pengamatan tegangan fotovoltaik digunakanvolt meter digital sedangkan arus fotovoltaik diukurdengan menggunakan amperemeter digital yangdirangkai seri dengan lapisan tipis sel surya. Padapengukuran arus fotovoltaik, dalam rangkaianpengukuran ditambahkan tahanan sebesar 100 KO.Skema rangkaian seri pengukuran arus dantegangan fotovoltaik ditunjukkan pada Gambar 5.

1320 mY dan 0,15 mA. Sedangkan pada rangkaianseri 2 menghasilkan tegangan dan arus fotovoltaikyaitu 0,16 mA dan 1230 mY. Dalam pengukuranini, arus dan tegangan fotovoltaik yang terukurkurang maksimal dikarenakan faktor dari perform asel surya maupun rangkaian paduan seri yangkurang sempurna hal ini disebabkan luasan kontakantar lapisan kurang lebar.

Tabel2. Tegangan dan arus dari kelima sel suryayang dirangkai seri

Jumlah

Sel surya tunggalRangkaian seri

No sel suryaTeganganArusTeganganArus

(mV)(mA)(mV)(mA)

1

5321, 320,0,1513200,15

322, 305, 3202

5312,300, 0,1612300,16

260, 270, 319

Sel surya yang dirangkai paralelPada pengukuran arus dan tegangan

fotovoltaik, sel surya dirangkaikan paralel/ betjajardi dalam circuit-box dihubungkan denganmultimeter digital. Sel surya yang dirangkaikanparalel ditunjukkan pada Gambar 6.

paralel

Sel nrya Rugkalaa seri

+

RangJaian ..,ri

Gambar 5 . Lima sel surya rangkaian seri

Hasil pengukuran arus dan teganganfotovoltaik dari kelima sel surya yang dirangkaidalam seri ditunjukkan pada Tabel 2.

Pad a Tabel 2. ditunjukkan hubungan arusdan tegangan dalam rangkaian serio Pada rangkaianseri I, 5 buah sel surya yang dikombinasikanmenghasilkan tegangan dan arus fotovoltaik yaitu

Gambar 6 . Lima sel surya rangkaian paralel

Hasil pengukuran arus dan teganganfotovoltaik dari kelima sel surya yang dirangkaidalam paralel ditunjukkan pada Tabel 3.

Pada Tabel 3, sel surya yang dirangkaiparalel merupakan hasil preparasi yang diambil 5sel surya dengan orde tegangan di atas 300 mYuntuk kelompok I dan 2, serta 5 sel surya denganorde tegangan acak. Untuk kelompok sirkuit yangpertama, sel surya yang dirangkai berturut-turutmemiliki tegangan sebagai berikut : 308 mY, 314mY, 300 mY, 325 mY dan 320 mY. Sedangkanarus masing-masing sel surya adalah ± 0,8 mA.Dari hasil pengukuran diperoleh tegangan 285 mYdan arus fotovoltaik 3,6 mA. Pada kelompok sirkitparalel ke-2 masing-masing memiliki tegangan

404 ISSN 1410 - 8178 Giri Siamet

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogvakarta, 28 Agustus 2008

sebagai berikut : 324 mY, 323 mY, 325 mY, 322mY, 320 mY serta arus fotovoltaik masing-masingsel surya sekitar 0,75 mA dan sesuai pengukurandihasilkan arus sebesar 3,5 mA pada tegangan 305mY. Sedangkan pada kelompok sirkit paralel yangke-3 dan ke-4 tegangan mengalami penurunan yangsignifikan masing-masing berturut dengan tegangankeluaran 2 19m Y dan 240 mY.

Tabel3. Tegangan dan arus dari kelima sel suryayang dirangkai paralel

Sel surya tunggal

Sel surya dalam

Jumlah

ranqkaian DaralelNo sel surya

TeganganArusTeganganArus

(mV)(mA)(mV)(mA)

1

5308, 314,0.82803,6

300, 325, 3202

5324, 323,0,753053,5

325, 322, 3203

5280, 299,0,152191,31

240, 250, 3204

5214,225,0,152401,21

210, 205, 199

Dari hasil pengukuran di atas menunjukkanindikasi bahwa sel surya yang dirangkai paraleluntuk optimasi arus maka diperoleh kenaikan arus,sedangkan optimasi tegangan tidak ada kenaikanpad a semua unsur.

KESIMPULAN

I. Lapisan sel surya tunggal sistem p-n junctionAg/CuInSe2-SiP tunggal dengan parameterpreparasi waktu deposisi SiP 18 menitmenghasilkan efek fotovoItaik yang optimalyaitu 0,30 mA pada 323 mY.

2. Lapisan sel surya sistem p-n junctionAg/CuInSe2-SiP yang dirangkai seri-paralelmampu meningkatkan efek fotovoItaik masing­masing 0,15 mA pada 1320 mY dan 3,5 mApada 305 mY.

3. Lapisan sel surya sistem p-a junctionAg/CulnSe2-SiP. yang dirangkai secara paralelmenghasilkan arus lebih besar dibandingkanrangkaian serio

4. Lapisan sel surya Sistem p-n junctionAg/CulnSe2-SiP yang dirangkai secara serimenghasilkan tegangan yang lebih besardibandingkan dengan rangkaian parale!.

5. Sistem p-n junction Ag/CulnSerSiP dapatdihasilkan dengan menggunakan metode RF

Sputtering dan DC magnetron untuk digunakansebagai sel surya dan besamya efek fotovoltaik

yang dihasilkan oleh sistem p-n junctiontergantung pada beberapa parameter sputtering,homogenitas, ketebalan lapisan dan sifat daritiap-tiap lapisan pembentuk sel surya.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadabapak : Dr. Trimadji Atmono, APU, Drs. TjiptoSujitno MT, APU, Ir. Suprapto yang telah memberibantuan dalam penulisan makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. ARISW AN, 2003, Prospek Penelitian danAplikasi FotovoItaik di Indonesia, MakalahSeminar, Universitas Negeri Jogjakarta.

2. BRIAN YULIARTO. (Januari 2007).Teknologi Sel Surya untuk Masa Depan. Artikel.Diambil pada tanggal 10 juni 2007, darihttp://www.beritaiptek.com/zberita-beritaiptek ­2006-01-20- Teknologi-Sel-Surya-untuk-­Energi--Masa- Depan.shtml.

3. NARYONO, 2002, Pengaruh Pengotor FosforTerhadap Pembentukan Sambungan P-N untukMembuat Sel Surya, Skripsi, Universitas NegeriYogyakarta.

4. TRIMARDJI ATMONO DKK, PreparasiSistem Multi Lapisan Mo/CuInSe/SiP/ZnOdengan Teknik Sputtering untuk Aplikasi SelSurya CIS, Laporan teknis 2007.

TANYA JAWAB

Jumari~ Mengapa variasi waktu deposisi dilakukan?~ Apa bedanya susunan seri dengan paralel?

Giri Siamet~ Untuk menghasilkan efek fotovoltaik yang

optimal.~ Dengan hasil percobaan yang kami lakukan

bahwa : rangkaian seri dapat meningkatkantegangan sedang rangkaian pararel dapatmeningkatkan arus dan rangkaian kombinasiseri paralel dapat meningkatkan keduanyayaitu arus dan tegangan.

Tri Rusmanto~ Hasil yang diperoleh dapat disambungkan denga

alat apa saja? Beri contoh!Giri Siamet~ Apabila banyak sel surya dirangkai kombinasi

seri para leI akan menghasilkan tegangan arusyang cukup, dengan harapan dapatmenghidupkan peralatan elektronik, misal :lampu penerangan, radio, kipas, dU.

Giri Siamet ISSN 1410 - 8178 405