PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
DEPOSISI LAPISAN TIPIS A&,CuInSe-SiP PADA SUBSTRAT KACA UNTUK MENGHASILKAN SAMBUNGAN P-N Giri Slamet PTAPB-BATAN
ABSTRAK
DEPOSISI LAPISAN TIPIS Ag/CuinSe-SiP PADA SUBSTRA T KACA UNTUK MENGHASILKAN SAMBUNGAN P-N. Deposisi lapisan tipis CulnSe2 dilakukan dengan metode RF sputtering pada daya 200 Watt, jarak elektroda 20 mm, tekanan 2x10-2 mbar. Selanjutnya dilakukan pengamatan tegangan dan arus fotovoltaik dengan multimeter digital. Pada pendeposisian lapisan Ag dan SiP digunakan DC magnetron dengan parameter deposisi yaitu : HV generator 0,5 kV dan 40 mA, jarak elektroda 12 mm, tekanan gas argon 3 x W·2 mbar, waktu deposisi Ag adalah 10 menit serta variasi waktu deposisi SiP yaitu 10 menit, 12 menit, 14 menit, 16 menit dan 18 menit. Hasil pengamatan arus dan tegangan menunjukkan bahwa lapisan tipis dengan parameter preparasi waktu deposisi SiP 18 menit menghasilkan efek fotovoltaik yang optimal yaitu 0,30 mA pada 323 m V. Pada sel surya yang dirangkaikan seri dan paralel mampu meningkatkan efek fotovoltaik masing-masing berturut sebesar 0, 15 mA pada 1320 m V; 3,5 mA pada 305 m V. ABSTRACT
DEPOSITION OF Ag/CuJnSeiSiP THIN FILMS ON THE GLASS SUBSTRA T TO PREPARE PN-JUNCTION CONECTED. The deposition of CulnSe2 thin film was done by using RF sputtering method with the power of 200 watt, electrode distance of 20 mm, chamber pressure of 2x1(J2 mbar. Further the voltage and the photovoltaic current are measured by using digital multimeter. Sputtering method DC magnetron was used to prepare films Ag and SiP, with the following parameter of deposition HV power 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, 10 minutes, 12 minute, 14 minutes, 16 minutes and 18 minutes. The Result of measurement 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 as series and parallel conected is able to improve the effect of fotovoltaic O. 15 mA at 1320 mV; 3.5 mA at 305 mV.
PENDAHULUAN
Adaaltematif beberapa yang
energi sebagai energi bersih, alam tidak berpolusi, aman dan dengan persediaan yang tidak terbatas. Oi an tara sumber energi terbarukan yang saat ini dikembangkan diantaranya : turbin angin, tenaga air (hydro power), energi gelombang air laut, tenaga surya, tenaga panas bumi, tenaga hidrogen, dan bioenergi. Tenaga surya atau solar sel merupakan salah satu sumber energi yang tidak menghasilkan emisi CO2 atau gas berbahaya lainnya. Energi surya atau dalam dunia internasional dikenal sebagai solar cell atau photovoltaic cell, merupakan sebuah divais Giri Siamet
semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, yang mampu mengubah energi sinar matahari menjadi energi listrik. [I] Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 Watt per meter persegi.(4) Jika sebuah divais semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10 persen maka modul solar sel ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 Watt. Saat ini efisiensi modul solar sel komersial berkisar antara 5 hingga 15 persen tergantung material penyusunnya. Tipe silikon single kristal merupakan jenis divais solar
ISSN 1410 - 8178
401
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
sel yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis solar sellainnya. [2] Percobaan pembuatan sel surya merupakan langkah awal, dengan harapan kemudian bisa digunakan menghidupkan peralatan elektronik dan kebutuhan peralatan rumah tangga. Untuk dapat menghidupkan peralatan elektronik harus digunakan beberapa sel surya yang tersusun secara seri sehingga tegangan dapat mencapai sesuai kebutuhan. Cara menghubungkan sel surya secara seri, dibuatkan beberapa pasang tempat elektroda, yaitu elektroda belakang dan elektroda depan sel surya. Sel surya yang diseri dibuat dari lapisan tipis CulnSerSiP membentuk hubungan p-njunction. [3] [I)
Pada percobaan ini, dilakukan untuk mengetahui besarnya tegangan fotovoltaik sel surya sambungan p-n CulnSe2-SiP menggunakan teknik RF sputtering. HasiI yang diperoleh diharapkan dapat memberikan sedikit kontribusi dalam bidang pembuatan sel surya. Kemajuan dari penelitian material semikonduktor sebagai bahan inti solar cell menjadi faktor kunci bagi pengembangan fabrikasi sel surya. Pada teknologi sel surya, terdapat beberapa material yang dapat digunakan untuk fabrikasi sel surya, diantaranya kristal tunggal silikon sebagai pioner yang mampu menghasilkan efisiensi lebih dari 20 % untuk skala riset. Dalam skala produksi modul/panel sel surya kristal silikon yang dihasilkan berefisiensi sekitar 12 %. Penggunaan material ini dalam bentuk lempengan (wafer) masih digolongkan mahal dan volume produksi lempeng silikon belum dapat mencukupi kebutuhan pasar apabila terjadi penggunaan sel surya secara massal. Saat ini telah dikembangkan sel surya yang terbuat dari film tipis (thin film solar cells) yang biayanya lebih murah dan dapat diproduksi secara massal. Di antaranya ada tiga material yang sedang dikembangkan secara intensif yaitu CulnSe2 (atau paduannya seperti CulnS2 atau CulnGaSe2), CdTe dan silikon amorf. Material ini memiliki tingkat efisiensi sekitar 10 %. Untuk ketiga material di atas hanya dibutuhkan ketebalan sekitar satu mikron pada pembentukan sel surya yang efisien dan biayanya rendah. Ketiga material tersebut mempunyai daya absorbsi yang tinggi.[4] Pad a percobaan ini dilakukan preparasi lapisan tip is sel surya susunan Ag/CulnSe-SiP di atas substrat kaca, kemudian dilakukan pengukuran arus dan tegangan pada sel surya yang dirangkai seri, paralel maupun paduan seri- paralel. Karakterisasi arus-tegangan dimaksudkan untuk mengetahui karakter sel surya sebagai uji kinerja lapisan tipis untuk menunjukkan efek fotovoltaik. Dengan karakterisasi arus-tegangan dapat 402
ditentukan besarnya efisiensi dari lapisan tipis sel surya yang dihasilkan.(4] TAT A KERJA
Deposisi lapisan tipis p-n junction Ag/CulnS~-SiP dikerjakan dengan metode sputtering. Adapun pelaksanaannya dilakukan beberapa tahapan yaitu : penyiapan perangkat preparasi, penyiapan bahan, pendeposisian. Pengukuran arus dan tegangan dengan cara menghubungkan beberapa sel surya secara seri dan paralel. Peralatan yang digunakan : sistem vakum, buatan PFEFFER VACUUM, Baltzers Instruments, Jerman, DC magnetron dan Generator RF, tabung sputtering berbentuk siIinder yang terbuat dari stainless steel dengan diameter 285 mm dan tinggi 200 mm, dua buah elektroda yaitu katoda sebagai tempat target dan anoda sebagai tempat substrat dengan jarak pisah antara keduanya 12 mm, ultrasonic cleaner yang digunakan untuk membersihkan kaca substrat dari segal a kotoran. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : target Ag berbentuk wafer dengan diameter 75 mm, target CulnSe berbentuk wafer dengan diameter 75 mm, target SiP berbentuk wafer dengan diameter 75 mm, kaca preparat berukuran panjang 33 mm dan lebar 12 mm, gas argon dengan kemumian 99,99%, alkohol untuk membersihkan substrat. Deposisi lapisan tipis menggunakan RF dan DC magnetron sputtering adalah sebagai berikut : Pada RF Sputtering, digunakan RF (Radio Frequency) yang bekerja pada 13,56 MHz sebagai generator, dan merupakan bagian yang tak terpisahkan dalam sistem osilator. Sistem ini dihubungkan pada sebuah amplifier sehingga dapat digunakan sebagai generator (pembangkit) pada proses deposisi, sedangkan pada DC magnetron menggunakan magnet dan diletakkan di bawah target seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Gas aryoll
HV-DC Power supply Generator RF POfl1p.l Turbo
P0fl1ll.1rot.lIY
Gambar I. Sistem RF dan HV-DC magnetron sputtering Langkah awal proses deposisi adalah memasang target Ag, CulnSe, SiP pada elektroda negatif (katoda) sedangkan substrat kaca dipasang pada elektroda positif (anoda) lalu menutup
ISSN 1410 - 8178
Giri Siamet
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 chamber dan semua venti I. Setelah itu pompa rotari dan kipas pending in dihidupkan. Apabila tekanan telah mencapai 1,5 x 10.2 mbar, sistem air pendingin pompa turbo dialirkan, lalu menghidupkan pompa turbo dan ditunggu sampai mencapai tekanan ± 3x I 0.5 mbar. Sete!ah tekanan tercapai, sistem air pendingin target dialirkan lalu kran gas argon dibuka. Langkah berikutnya adalah menghidupkan tegangan DC. Besamya arus 60 mA dan tegangan 0,5 kV sambil mengalirkan gas argon sampai terjadi discharge plasma. Aliran gas argon diatur sehingga diperoleh tekanan yang diinginkan 3 x 10.2 mbar, jarak elektroda 12 mm dan waktu deposisi selama 10 menit. Setelah terbentuk lapisan Ag, masker dipasang di atasnya sebagai kontak belakang. Proses selanjutnya adalah pendeposisian lapisan CulnSe sebagai semikonduktor tipe p, di atas Ag. Proses preparasi dilakukan dengan teknik RF sputtering dengan parameter deposisi meliputi daya generator 200 W, tegangan self-bias 1000 Volt, tekanan argon 3 x 10.2 mbar, jarak antar elektroda 23 mm dan waktu deposisi 20 menit. Pendeposisian lapisan SiP sebagai tipe n berada di atas lapisan CulnSe dilakukan dengan sistem DC magnetron. Selanjutnya mengulangi langkah-Iangkah di atas dengan parameter sebagai berikut : daya generator 18 Watt, tekanan argon 3 x 10'2 mbar, jarak elektroda 12 mm dan variasi waktu deposisi, yaitu: 10, 12, 14, 16 dan 18 menit. Adapun struktur lapisan tip is sistem grid sel surya ditunjukkan pada Gambar 2. SiP CulnSe Ag
''>-
..............
Substrat
.
kaca
Gambar 2. Struktur lapisan tipis AgiCulnSe2 sistem grid.
Pengukuran arus dan tegangan fotovoltaik dilakukan pada setiap sel surya tunggal serta sel surya yang dirangkai dalam rangkaian seri dan parale!. Di atas lapisan tipis sel surya, diberikan lapisan plat tembaga, agar lapisan tidak rusak oleh gesekan jarum multimeter. Skema pengukuran arus dan tegangan pada se! surya tunggal, kombinasi rangkaian seri, paralel, ditunjukkan pada Gambar 4, dengan sumbu X menunjukkan pengukuran tegangan dan sumbu Y menunjukkan pengukuran arus. Sumbu IX· Sel so!)'a tunggal
1o
Sel so!)'a dirangkai Paralel
(R)
Sumbu
_x
Sumbu Y
Sel surya
dirangkai !en
Gambar 4. Skema pengukuran fotovoltaik
arus-tegangan
(a). Sel tunggal (b). Paralel (c). Seri HAStL DAN PEMBAHASAN Setelah dilakukan pengamatan efek fotovoltaik pada masing-masing sel surya, selanjutnya dilakukan pengukuran efek fotovoltaik sel surya yang dirangkai seri dan paralel. Sel surya yang dirangkaikan seri maupun paralel bertujuan untuk memperoleh optimalisasi arus, tegangan dan daya keluaran dari sel surya. Set surya tunggat
sel
surya
Pengukuran arus dan tegangan Pengukuran arus dan tegangan sebagai uji kinerja lapisan tip is yang telah dibuat, dilakukan dengan mengukur tegangan dan arusnya sesuai alur kerja seperti Gambar laoisan 3.12 14 SiP (menit) 18 16
Dari hasil pengukuran arus dan tegangan fotovoltaik dari kelima sel surya untuk berbagai variasi waktu deposisi lapisan SiP diperoleh data dalam Tabel 1. Tabel 1.
Pengukuran tegangan dan fotovoltaik dari sel surya tunggal
arus
322 240 Arus fotovoltaik 323 320 0,20 0,21 0,15 Tegangan (mA\ fotovoltaik (mV) Waktu deposisi 0,30
10
Gambar 3. Alur uji kinerja lapisan tipis sel surya
Giri Siamet
Pad a proses deposisi bahan, ketebalan lapisan sebanding dengan lamanya waktu deposisi, semakin lama waktu deposisi maka semakin tebal
ISSN 1410 - 8178
403
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
pula lapisan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan semakin lama waktu deposisi maka atom-atom target yang terdeposisikan semakin banyak. Ketebalan lapisan berpengaruh terhadap kenaikan tahanan listrik sambungan p-n. Dengan semakin tebal lapisan yang terdeposisi di atas substrat belum tentu menghasilkan efek fotovoltaik yang optimal. SiP merupakan lapisan material tipe-n yang memiliki sifat transparan, sehingga tidak menganggu transmisi foton cahaya matahari dari semikonduktor tipe-n menuju absorber. Dari pengukuran fotovoltaik pada sambungan p-n No 260, 322,(mV) 305, 2 270, 1 diperoleh tegangan terkecil 240 mY pada waktu deposisi 10 menit dan arus terkecil 0,15 mA pada waktu deposisi 16 menit. Sedangkan pengukuran efek fotovoltaik pad a sambungan p-n diperoleh tegangan dan arus terbesar yaitu 323 mY dan 0,30 mA untuk lapisan tipis dengan waktu deposisi 18 menit.
1320 mY dan 0,15 mA. Sedangkan pada rangkaian seri 2 menghasilkan tegangan dan arus fotovoltaik yaitu 0,16 mA dan 1230 mY. Dalam pengukuran ini, arus dan tegangan fotovoltaik yang terukur kurang maksimal dikarenakan faktor dari perform a sel surya maupun rangkaian paduan seri yang kurang sempurna hal ini disebabkan luasan kontak antar lapisan kurang lebar. Tabel2.
Tegangan dan arus dari kelima sel surya yang dirangkai seri
Sel surya tunggal Tegangan Arus Arus 5 0,16 1320 1230 321, 0,15 320, 312,300, 0,15 0,16 Tegangan Rangkaian (mA) (mV) (mA) sel surya Jumlah 320 319
seri
Sel surya yang dirangkai seri Dalam percobaan dilakukan pengukuran arus dan tegangan pada 5 sel surya yang telah dirangkai dalam rangkaian seri pada circuit-box. Untuk pengamatan tegangan fotovoltaik digunakan volt meter digital sedangkan arus fotovoltaik diukur dengan menggunakan amperemeter digital yang dirangkai seri dengan lapisan tipis sel surya. Pada pengukuran arus fotovoltaik, dalam rangkaian pengukuran ditambahkan tahanan sebesar 100 KO. Skema rangkaian seri pengukuran arus dan tegangan fotovoltaik ditunjukkan pada Gambar 5.
Sel nrya
Sel surya yang dirangkai paralel Pada pengukuran arus dan tegangan fotovoltaik, sel surya dirangkaikan paralel/ betjajar di dalam circuit-box dihubungkan dengan multimeter digital. Sel surya yang dirangkaikan paralel ditunjukkan pada Gambar 6. paralel
Rugkalaa seri
Gambar 6 . Lima sel surya rangkaian paralel
+
RangJaian ..,ri
Gambar 5 . Lima sel surya rangkaian seri Hasil pengukuran arus dan tegangan fotovoltaik dari kelima sel surya yang dirangkai dalam seri ditunjukkan pada Tabel 2. Pad a Tabel 2. ditunjukkan hubungan arus dan tegangan dalam rangkaian serio Pada rangkaian seri I, 5 buah sel surya yang dikombinasikan menghasilkan tegangan dan arus fotovoltaik yaitu
404
Hasil pengukuran arus dan tegangan fotovoltaik dari kelima sel surya yang dirangkai dalam paralel ditunjukkan pada Tabel 3. Pada Tabel 3, sel surya yang dirangkai paralel merupakan hasil preparasi yang diambil 5 sel surya dengan orde tegangan di atas 300 mY untuk kelompok I dan 2, serta 5 sel surya dengan orde tegangan acak. Untuk kelompok sirkuit yang pertama, sel surya yang dirangkai berturut-turut memiliki tegangan sebagai berikut : 308 mY, 314 mY, 300 mY, 325 mY dan 320 mY. Sedangkan arus masing-masing sel surya adalah ± 0,8 mA. Dari hasil pengukuran diperoleh tegangan 285 mY dan arus fotovoltaik 3,6 mA. Pada kelompok sirkit paralel ke-2 masing-masing memiliki tegangan
ISSN 1410 - 8178
Giri Siamet
ah V) 250, 22, 205, 25,
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogvakarta, sebagai berikut : 324 mY, 323 mY, 325 mY, 322 mY, 320 mY serta arus fotovoltaik masing-masing sel surya sekitar 0,75 mA dan sesuai pengukuran dihasilkan arus sebesar 3,5 mA pad a tegangan 305 mY. Sedangkan pada kelompok sirkit paralel yang ke-3 dan ke-4 tegangan mengalami penurunan yang signifikan masing-masing berturut dengan tegangan keluaran 2 19m Y dan 240 mY. Tabel3.
4 32
320 199
Tegangan dan arus dari kelima sel surya yang dirangkai paralel
Sel surya dalam 51,21 280 219 Arus Arus 0.8 305 240 ranqkaian 1,31 3,6 0,15 214,225,0,15 308, 314, 280, 324, 3,5 323, 299, 0,75 Tegangan Tegangan (mA) (mV) (mA) sel surya Sel surya tunggal
Daralel
28 Agustus 2008 yang dihasilkan oleh sistem p-n junction tergantung pada beberapa parameter sputtering, homogenitas, ketebalan lapisan dan sifat dari tiap-tiap lapisan pembentuk sel surya. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada bapak : Dr. Trimadji Atmono, APU, Drs. Tjipto Sujitno MT, APU, Ir. Suprapto yang telah memberi bantuan dalam penulisan makalah ini. DAFTAR PUSTAKA
Dari hasil pengukuran di atas menunjukkan indikasi bahwa sel surya yang dirangkai paralel untuk optimasi arus maka diperoleh kenaikan arus, sedangkan optimasi tegangan tidak ada kenaikan pad a semua unsur.
1. ARISW AN, 2003, Prospek Penelitian dan Aplikasi FotovoItaik di Indonesia, Makalah Seminar, Universitas Negeri Jogjakarta. 2. BRIAN YULIARTO. (Januari 2007). Teknologi Sel Surya untuk Masa Depan. Artikel. Diambil pada tanggal 10 juni 2007, dari http://www.beritaiptek.com/zberita-beritaiptek 2006-01-20- Teknologi-Sel-Surya-untuk-Energi--Masa- Depan.shtml. 3. NARYONO, 2002, Pengaruh Pengotor Fosfor Terhadap Pembentukan Sambungan P-N untuk Membuat Sel Surya, Skripsi, Universitas Negeri Yogyakarta. 4. TRIMARDJI ATMONO DKK, Preparasi Sistem Multi Lapisan Mo/CuInSe/SiP/ZnO dengan Teknik Sputtering untuk Aplikasi Sel Surya CIS, Laporan teknis 2007.
KESIMPULAN
TANYA JAWAB
I. Lapisan sel surya tunggal sistem p-n junction Ag/CuInSe2-SiP tunggal dengan parameter preparasi waktu deposisi SiP 18 menit menghasilkan efek fotovoItaik yang optimal yaitu 0,30 mA pada 323 mY. 2. Lapisan sel surya sistem p-n junction Ag/CuInSe2-SiP yang dirangkai seri-paralel mampu meningkatkan efek fotovoItaik masingmasing 0,15 mA pada 1320 mY dan 3,5 mA pada 305 mY. 3. Lapisan sel surya sistem p-a junction Ag/CulnSe2-SiP. yang dirangkai secara paralel menghasilkan arus lebih besar dibandingkan rangkaian serio 4. Lapisan sel surya Sistem p-n junction Ag/CulnSe2-SiP yang dirangkai secara seri menghasilkan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan rangkaian parale!. dapat 5. Sistem p-n junction Ag/CulnSerSiP dihasilkan dengan menggunakan metode RF Sputtering dan DC magnetron untuk digunakan sebagai sel surya dan besamya efek fotovoltaik
Jumari
Giri Siamet
~ 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 meningkatkan tegangan sedang rangkaian pararel dapat meningkatkan arus dan rangkaian kombinasi seri paralel dapat meningkatkan keduanya yaitu 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 arus yang cukup, dengan harapan dapat menghidupkan peralatan elektronik, misal : lampu penerangan, radio, kipas, dU.
ISSN 1410 - 8178
405
