BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sel surya merupakan alat yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik DC secara langsung. Sel surya telah diaplikasikan dalam berbagai bidang, salah satunya adalah diaplikasikan sebagai sumber energi pengganti baterai pada alat elektronik yang mambutuhkan daya rendah, seperti jam tangan dan kalkulator. Sel surya pertama kali dikembangkan dengan menggunakan bahan silikon kristal (c-Si). Namun demikian akhir-akhir ini para ahli dalam bidang sel surya banyak yang tertarik mengembangkan sel surya dari material lain, diantaranya silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H). Hal ini disebabkan karena temperatur penumbuhan material c-Si sangat tinggi sehingga hanya dapat ditumbuhkan pada wafer silikon yang harganya mahal dan persediannya tidak cukup pada saat sel surya diproduksi dalam jumlah yang sangat besar sehingga menyebabkan biayanya menjadi mahal (Abdul Haris dkk, 2009). Silikon amorf terhidrogenasi (a-Si :H) merupakan salah satu material yang cocok untuk diaplikasikan sebagai sel surya. Berdasarkan kemampuan absorbsinya yang tinggi pada daerah spektrum cahaya tampak, a-Si:H sangat cocok untuk dijadikan lapisan tipis penyusun sel surya (Vet dkk, 2006). Selain itu material a-Si:H juga mempunyai celah pita optik yang lebar (1.7 eV – 2.0 eV), temperatur penumbuhan yang rendah (~200oC), dan dapat ditumbuhkan pada
1
2
substrat gelas yang harganya murah dan persediannya melimpah. Dengan demikian maka a-Si:H menjadi material yang murah untuk di aplikasikan pada berbagai divais semikonduktor jika dibandingkan dengan silikon kristal (c-Si) yang mempunyai celah pita optik 1.12 eV dan koefisien absorbsi yang lebih rendah dari pada a-Si:H (Mukhopadhyay dkk, 2001 dan Street, 1991). Metode penumbuhan telah banyak diteliti agar mendapatkan lapisan berkualitas seperti Vacuum Evaporaration Method, Sputtering Method, Chemical Vapour Deposition (CVD), Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), serta Hot Wire Chemical Vapour Deposition (HWCVD) (Syahfandi Ahda dan Mardiyanto, 2007). Diantara teknik-teknik penumbuhan tersebut, PECVD merupakan teknik penumbuhan lapisan tipis a-Si:H yang paling populer digunakan. Salah satu kelebihan dari teknik ini adalah dapat dilakukan penumbuhan pada temperatur substrat yang rendah. PECVD menggunakan frekuensi radio (rf) sebagai sumber pembangkit daya discharge. PECVD konvensional menggunakan frekuensi radio (rf) sebesar 13.56 MHz. Dengan metode ini diperoleh lapisan tipis dengan konduktivitas rendah, laju deposisi rendah serta kandungan hidrogen yang tinggi. Untuk meningkatkan kualitas lapisan tipis a-Si:H yang dihasilkan maka diperkenalkan teknik Very High Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (VHF-PECVD), dengan frekuensi rf yang digunakan adalah 70 MHz. Dengan teknik ini diperoleh lapisan tipis a-Si:H dengan kandungan hidrogen yang lebih rendah serta laju deposisi yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan teknik PECVD konvensional (Usman dkk, 2004).
3
Teknik PECVD ini kemudian terus dikembangkan untuk meningkatkan kualitas lapisan tipis a-Si:H yang dihasilkan menjadi Hot Wire PECVD (HWPECVD) (Ahda dkk, 2008 dan Haris dkk, 2009), HWC-PECVD (Supu, 2005) dan kemudian dikembangkan menjadi Hot Wire Cell VHF-PECVD (HWC-VHFPECVD) (Usman, 2006). Secara umum teknik ini tidak jauh berbeda dengan teknik VHF-PECVD, hanya saja pada teknik ini terdapat filamen panas yang diletakkan di sistem masukan gas yang sejajar dengan substrat. Hal ini akan menyebabkan gas silan yang memasuki chamber akan terdisosiasi dua kali, dimana gas silan (SiH4) akan terdisosiasi terlebih dahulu oleh filamen panas menjadi radikal yang lebih sederhana sebelum memasuki kawasan elektroda (Satwiko dkk, 2009). Dengan menggunakan teknik ini, telah berhasil ditumbuhkan lapisan tipis a-Si:H dengan laju deposisi yang lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan teknik PECVD konvensional maupun VHFPECVD dan jika ditinjau dari segi kualitas material, teknik ini juga mampu menghasilkan lapisan tipis a-Si:H dengan nilai konduktivitas tinggi (Usman, 2006) . Kualitas dari suatu material semikonduktor dapat dilihat dari sifat atau karakteristiknya, yakni sifat listrik dan sifat optiknya. Sifat listrik berhubungan dengan nilai konduktivitas listrik material tersebut, dalam hal ini konduktivitas terang dan konduktivitas gelapnya. Sedangkan sifat optik berhubungan dengan lebar celah pita optik (energi gap). Celah pita optik yang baik untuk lapisan tipis a-Si:H adalah lebih kecil dari 1.8 eV (Schropp dkk, 1998). Kualitas dari lapisan yang ditumbuhkan dengan teknik HWC-VHF-PECVD bergantung pada parameter
4
penumbuhannya, antara lain temperatur substrat (TS), yang menentukan mobilitas radikal di permukaan penumbuhan, tekanan chamber (P), laju aliran gas silan (SiH4), daya rf, serta temperatur filamen (Tf) (Usman, 2006). Berdasarkan hal tersebut di atas, maka penelitian ini diarahkan pada analisis karakteristik lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan menggunakan teknik HWC-VHF-PECVD pada variasi temperatur filamen (Tf), dimana parameter penumbuhan lainnya di set pada posisi optimum. Besarnya temperatur filamen berpengaruh terhadap efisiensi dekomposisi silan (αd) dan jenis radikal yang dihasilkan setelah silan melewati filamen (Vilamitjana, 2004).
1.2. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan masalah sebagai berikut: “Bagaimanakah pengaruh temperatur filamen (Tf) terhadap sifat fisis lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik HWC-VHF-PECVD?”
1.3. Batasan Masalah
Adapun penelitian ini difokuskan pada karakterisasi lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik HWC-VHF-PECVD dengan variasi temperatur filamen (Tf) 800, 1000 dan 1400oC untuk aplikasi sel surya. Untuk aplikasinya tersebut, maka karakterisasi lapisan tipis a-Si:H ini difokuskan pada analisis struktur lapisan, ketebalan dan laju deposisi lapisan tipis a-Si:H, celah pita energi optik, serta konduktivitas listrik dan fotosensitivitas lapisan tipis a-Si:H.
5
1.4. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur filamen terhadap sifat fisis lapisan tipis a-SiH yang ditumbuhkan dengan metode Hot Wire Cell Very High Frequency Chemical Vapour Deposition (HWC-VHF-PECVD) untuk aplikasi sel surya, yang meliputi analisis stuktur lapisan, laju deposisi, nilai celah pita energi optik, konduktivitas listrik dan fotosensitivitas.
1.5. Metode Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Penumbuhan lapisan tipis a-Si:H dilakukan dengan menggunakan teknik HWCVHF-PECVD. Untuk mengetahui karakteristik dari lapisan tipis a-Si:H, dilakukan tiga uji karakterisasi yaitu, karakterisasi I-V, XRD, dan UV-Vis.
1.6. Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memperkaya hasil penelitian yang terkait lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik HWC-VHF-PECVD.
