Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN1411-2213
LAPISAN TIPIS SiN UNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA Trimardji Atmono, Sudjatmoko daDYunanto PuslitbangTeknologiMaju (P3TM)-BATAN Jl. BabarsariPO Box 1008Yogyakarta
ABSTRAK LAPISAN TIPIS SiNUNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA. Telah dilakukan penelitian pembuatan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara untuk gel surya. Dalam hal ini diperlukan bahan lapisan SiN yang mempunyai transmitansi yang tinggi dan dapat memisahkan medium udara denganlapisan tipis elektroda transparan ZnOAI. Pembuatan lapisan tipis SiN dilakukan dengan metode RF sputtering, target Si yang ditempatkan pactakathoda ditembaki dengan ion-ion argon. Untuk pembentukanlapisan SiN dialirkan gas nitrogen sehingga terjadi proses reaktif sputtering. Pengukuran prosentasetransmitansi dilakukan dengan menggunakan UVVis. Ohm meter digital digunakan untuk mengukur tahanan lapisan tipis ZnOAl, sebelum dan sesudah diberi lapisan tipis SiN Dari basil pengukuran didapat transmitan tertinggi 98 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAI sebesar 48 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAl/SiN 3,4 % pactakandungan unsur Si 4,4 % dan N 2,5 %. Kata kunci : Lapisan tipis SiN, gel surya, metode RF sputtering
ABSTRACT SiNTIDN FILM FOR THE ANTIREFLEXION LAYER AND AIR GAP ON THE SOLAR CELL. The researchon the prepairing of SiN-thin films tor applying as the anti reflexion layer as well as for protection against oxidation of the solar cell has been done. The following behaviours are needed for this applications, namely high transmittance and the capability to separatethe transparent electrode ZnOAl from medium of air. The preparation of SiN thin films are carried out by using RFSputtering method, target S was placed at the cathod and bombarded by Argon ions. To form the SiN layer, the Nitrogen gas was flowed to the sputter chamber, so that the reactive sputtering is occurred. The measurement of the transmittance was done with the UVVis. The digital ohm-meter was used to measure the resistance of thin film ZnOAI, betore and after the sputtering of "wearing" of SiN layer. The results showed the highest transmittance of 98%. The raising of the resistance was 48%, which occurred at the 4.4% and 2.5% content of Si and N, respectively.
Keywords: SiN thin film, solarcell,RF sputteringmethod
PENDAHULUAN Pada tahun terakhir banyak dilakukan penelitian lapisan tipis untuk pembuatan sel surya. Sampai saat ini baru dapat dibuat selsurya yang mempunyai efisiensi masih relatif rendah. Salah satu penyebab masih rendahnya efisiensi sel surya adalah karena elektroda yang digunakan masih beropa parol (grating) yang hampir menutup sebagian permukaan bahan sernikonduktor (biasanya daTi bahan silikon). Dengan dernikian sinar yang masuk tidak selurohnya diubah menjadi daya listrik, sehingga dapat meningkatkan arus padasel surya[I,2]. Lapisan tipis sel surra menggunakan susunan SiN/ZnOAI/(a-Si:H)B/a-Si/(a-Si:H)P/ Ag. Pada lapisan tipis sel surra lapisan tipis SiN berfungsi untuk penyekat terhadap udara antara udara dan ZnOAl serta berfungsi juga sebagailapisan anti refleksi[2,3]. Lapisan tipis yang mempunyai sifat anti refleksi salah satunya adalah lapisan tipis SiN (silikon nitride). Lapisan tipis ini adalah lapisan tipis SiN. yang berasal
142
dari senyawaantara unsur Si dan N. Senyawaini bernpa
bahan keramik yang merupakanpaduanantara semikonduktordan unsur bukan semikonduktor maupun logam. Senyawaini mempunyai ikatan ionik atau ikatan kovalen, sehingga sifatnya berbeda dengan semikonduktor. Biasanya bersifat isolator, belling tembus cahaya (transmitannya tinggi) dan stabil pada suhu yang tinggi. Ketahanan terhadap suhu tinggi ini disebabkan karena mempunyai ikatan ionik. Bahan keramik biasanya mempunyai strnktur kristalin, akan tetapi berlainan denganlogam. Strnktur keramik adalah sedemikian sehingga tidak benyak elektron bebasnya sepertipada umumnya sifat logam penghantar. Elektron tersebut dibagi dengan atom yang berdekatan dalam ikatan kovalen atau berpindah dari atom yang satu ke atom yang lain membentuk ikatan ion, atom terionisir danbermuatan [5]. ZnO adalah bahan semikonduktor ripe N, dalam struktur kristal ZnO terkandung atom-atom Zn dan 0
Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Refleksidan PenyekatUdaraPadaSel Surya (Trimardji Atmono)
yang tidak seimbang. Ketidak seimbangan akan menimbulkan konduktivitas pactaZnO. Kelebihan atom Zn (dibanding 0) dalam kristal ZnO, dimana atom Zn berfungsi sebagai donor, mengakibatkan ZnO akan bersifat sebagaikonduktor .Selain itu ZnO mempunyai sifat transmitan pacta daerah cahaya tampak sekitar 90 %. Dengan demikian ZnO dapat digunakan sebagai TCO (Transparent Conducting Oxide) yaitu sebagai elektroda yang tembus cahaya. Tetapi ZnO-layer mempunyai kekurangan hila digunakan untuk elektroda transparan, yaitu bahwa lapisan tipis ZnO sebagai elektroda transfaran akan bereaksi dengan udara, sehingga akan menyebabkan penurunan konduktivitas ZnO, sebanding dengan lamanya waktu reaksi dengan udara (suatuketika akan terjadi kejenuhan).Hal ill akan menyebabkan sifatjatuh tegangan pactaelektroda yang akhimya mengakibatkan penurunan efisiensi sel surya[2]. Untuk meningkatkan efisiensi selsurya salah satu penelitian yang dikembangkan dengancara pemberian lapisan tipis anti retleksi yang sekaligus untuk penyekat antara lapisan tipis TCO dan dengan udara. Dengan menggunakan lapisan anti retleksi maka hampir semua sinar datang akan masuk mengenai sambungan P-N, sehingga akan menghasilkan daya yang maksimum. Untuk mendapatkan senyawa SiN atau membuat lapisan tipis SiN dilakukan dengan mencampur unsur Si dan N, dimana akan terjadi senyawa SiN yang mempunyai struktur kristal yang berbeda dengan struktur kristal Si. Lapisan tipis SiN dapat dibuat dengan berbagai macam metode antara lain: teknik evaporasi, teknik CVD dan teknik sputtering. Dalam makalah ini disajikan basil penelitian tentang pembuatanlapisan tipis SiN dengan teknik sputtering. Sebagaisubstrat dipilih kaca yang mempunyai transmitan yang tinggi, sedangkanuntuk preparasilapisan tipis SiN dipilih target Si dengan diameter 75 mm dan gas reaktif N dengan sputter gas Argon. Selain itujuga dibahas bagaimana pengaruh campuran unsur Si dengan N, daya RF dan jarak elektroda transmitansi, kekuatan penyekat antara TCO dengan udara dan komposisi unsur basil sputtering [5]. Tujuan daTi penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh paduan unsur, daya RF dan jarak elektroda terhadap transmitan lapisan tipis SiN dan kekuatan penyekat antara TCO dengan udara serta pengamatan komposisi unsur basil sputtering. Dengan melakukan variasi campuran gas N, daya RF dan jarak elektroda diperoleh lapisan tipis yang mempunyai prosentase transmitansi yang tinggi dan dapat membatasi antara lapisan tipis ZnOAI dengan udara. Selanjutnya diharnpkan basil penelitian ill dapatdikembangkanuntuk mendapatkan bahan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat antara TCO dengan udara yang akan meneruskan cahaya tanpa dipantulkan dan akan menurunkan konduktivitas lapisan TCO.
TATA KERJA Untuk mendapatkan lapisan tipis SiN yang baik yang mempunyai sifat anti refleksi maka dalam penelitian dengan metode RF sputtering dilakukan variasi komposisi unsur Si dan N, daya RF antara 155 watt 175 watt dan jarak elektroda daTi 1 cm sampai 3 cm. Sebagai sputter gas adalah Argon dengan kemurnian 99,9%, sedangkan sebagaigas reaktifadalah Nitrogen. Tekanan gas dan waktu deposisi dibuat tetap yaitu masing-rnasing 8,5 x 10-2torr dan 20 menit. Untuk membuat lapisan tipis ZnOAl substrat kaca dipotong dengan ukuran 1 cm x 1 cm, ditempatkan pacta anodal ground. Target ZnO dan Al ditempatkan pacta katoda dan substrat kaca pactaanoda. Sedangkanuntuk membuat lapisan tipis SiN target Si dipasang pacta katoda, untuk menghasilkan lapisan tipis SiN dialirkan gas N yang secara simultan diionkan dengan teganganRF. Untuk mengamati sifat refleksi,
dilakukan
pengukuran transmitansinya dengan menggunakan UV-Vis. Alat ini padadasamyaterdiri dari sombercahaya, monokromator, temp at cuplikan, detektor cahaya, penguattegangan dan penampil. Sumbercahayaterdiri daTi lampu lucutan hidrogen, panjang gelombang 150 nm sampai dengan 350 nm dan lampu wolfram, panjang gelombang350 nm sampai 1.000 om. Alat yang digunakan dapat divariasi panjang gelombangnya daTi 190nm sampaidengan950 om. Cahaya dilewatkanpacta monokromator, sehingga akan keluar cahaya dengan panjang gelombangtunggal. Monokrornator ini diputar secara perlahan sehingga akan menghasilkan cahaya yang berubah panjang gelombangnya secaraperlahanlahan dan ditangkap oleh detektor rota elektrik. Keluaran daTi detektor ini diperkuat dengan amplifier daD hubungan antara panjang gelombang dan transmitansi daTicuplikan ditampilkan oleh komputer. Komposisi dari target pactaumumnya tidak sarna dengan lapisan tipis yang dihasilkan karena proses sputtering yang kompleks dan melibatkan banyak parameter. Unsur yang terdeposisi pacta substrat dianalisis dengan metode APNC. Dalam pengamatan ini atom yang terdeposisipactasubstratdiiradiasi dengan neutron cepat 14 MeV daTi generator neutron dengan waktu tertentu Selama irradiasi neutron, sub.\"trat mengalami aktivitas peningkatan nomor massainti atom, sehingga substrat bersifat radioaktif. Setelah berakhimya prosesaktivasi, substrat yang telah bersifat radioaktif akan mengalami peluruhan dengan memancarkan sinar gamma. Tenaga sinar gamma yang dipancarkan menunjukkan nomor massaunsur substrat. Sinar gamma ini dianalisis menggunakan spektrometer garmna.
BASIL DAN PEMBAHASAN Pada Garnbar1 disajikan prosentasetransrnitansi
143
"" -~~ I .)'" ~
Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
sebagai fungsi campuran gas N. Semakin banyak campuran gas N transmitansi lapisan tipis SiN semakin tinggi, hat ini disebabkankarena silikon merupakan zat padat yang mempunyai sifat memantulkan cahaya. Dengan bertambahnya campuran gas N (pertambahan flow-rate) maka meanfree path daTi ion-ion AT dalam perjalanannyamenujutarget Si akan berkurang,sehingga akan mengasilkan sputter rate Si yang lebih kecil. Oleh karenanya sebagian besar daTi lapisan tipis SiN yang terbentuk di alas substratterdiTi dari unsur N, sedangkan unsur Si semakin berkurang yang pada akhirnya efek pemantulancahayaakan makin menurun. Penurunanefek pemantulan daTi unsur Si akan semakin menaikkan transmitansi lapisan tipis SiN. Peningkatan prosentase transmitansi ini disatu pihak akan menghilangkan efek pantulan tetapi dilain pihak menurunkandaya sekatyaitu memisahkan antara medium udara dengan lapisan yang dilindungi akan berkurang.
ISSN1411-2213
Suatu logam mempunyai sifat memantulkan (refelektivitas) yang tergantung pacta respon frekuensi jenis logamnya dan juga tergantung pacta kekasaran permukaan [2,3]. Cahaya yang mengenai permukaan suatulogam akan direfleksikanjika kedalaman rata-rata dan ketidak teraturanpermukaanreflektor jauh lebih kecil daTi pacta panjang gelombang cahaya yang datang Transmitansi dari lapisan tipis SiN menurun tetapi daya sekatantara udara dengan lapisan tipis yang dilindungi yaitu ZnOAl akan semakin baik.
88
~
87
co
85
E
93
~
""
(/)
co
~
91 89
87 99
..Seres
1
jarak elektroda (cm)
l
c
s "E Ii) c
~
95 93
Pada Gambar 2 disajikan grafik transmitansi sebagai fungsi daTi daya RF (pada grafik untuk kaca tanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin besar dayaRF maka kerapatan ion plasma akan semakin tinggi [6]. Dengan demikian .sputter-rateakan meningkat. Dengan waktu deposisi daD jarak elektroda tetap, maka basil sputtering akan semakin naik yang akhimya menambah ketebalan lapisan tipis SiN. Dengan bertamhnya ketebalan lapisan tipis SiN tersebut maka prosentase transmitannya akan menurun. Penurunan ini terutama disebabkan karena dengan bertambahnya ketebalan lapisantipis maka refleksi dari unsur Si akan meningkat.
l
'"c:
~
E In
c:
~
Gambar 3. Prosentasetransmitan sebagaifungsi jarak elektroda
PadaGambar 3 disajikan grafik hubungan antara prosentase transmitansi denganjarak elektroda (pada grafik kacatanpa lapisantipis pada titik 0). Semakindekat elektroda maka medan listrik yang dihasilkan oleh perbedaan tegangan katoda-anoda akan semakin meningkat. Peningkatan medan listrik ini akan memperbesartenaga ion-ion Argon yang menembaki target Si. Dengan waktu deposisi, tekanan gas dan tegangan yang sarna maka akan meningkatkan derajat ionisasidari plasma,kerapatanplasmabertambah,jumlah ion yang menembakitargetakan meningkat. Peningkatan ini akan menambah ketebalan lapisan tipis SiN. Peningkatan ketebalan ini menyebabkan unsur yang memantulkan cahaya semakin banyak, sehingga prosentasetransmitansinya akan menumn. Untuk jarak yang terlalu dekat maka terjadi kejenuhan, menumnkan mean-tree-path, sehingga percikan yang dihasilkan bahkan tidak bertambah (konstan). Pada akhirnya ketebalan lapisan tipis yang terbentukjuga konstan, demikian juga transmitansinya. Pada Gambar 4 disajikan grafik peningkatan tahanan ZnOAl tanpa lapisan tipis dan dengan lapisan tipis SiN sebagai fungsi waktu. Untuk lapisan tipis ZnOAl tanpa lapisan tipis pelindung SiN tahanannya semakin lama akan semakin meningkat dengan waktu. Peningkatan ini disebabkan karena pengamh oksigen yang mengenai permukaan lapisan tipis kemudian menyisip diantara atom Zn dan O. Peningkatan tahanan ini akan mencapaikejenuhankarena susunan atom ZnO yang sudah penuh (bahan ZnO mempunyai sifat non stoikiometri), sehingga unsur oksigen tidak dapat lagi menyisip pada susunan atom ZnO. Untuk lapisan tipis
-~ ---4 .,-/
Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Rejleksi dan PenyekatUdaraPadaSel Surya (Trimardji Atmono)
ZnO yang dideposisi dengan lapisan tipis SiN yang mempunyai transmitan kecil (prosentaseyang besardati unsur Si), tahanan ZnO terlihat stabil. Hal ini disebabkan karena udara di sekitar lapisan tipis tidak mampu menembus lapisan tipis SiN dengan ketebalan yang optimal, sehingga SiN-layer mampumemisahkanantara udara dengan lapisan tipis ZnOAl. Tetapi untuk lapisan tipis SiN yang mengandung unsur N yang berlebihan (prosentase Si kecil), maka udara yang mengandung oksigen masih mampu menembus lapisan tipis SiN. Dengan demikian sebagian unsur 0 dapat menembus daD menyisip pada susunan atom ZoO. Hal ini menyebabkan tahanan lapisan tipis ZnOAl akan naik dati nilai semula 1.210olun menjadi 1.218olun. Lapisan tipis SiN yang demikian ini mempunyai transmitanyang cukup tinggi, meskipun tidak bersifat sebagaipenyekat
...""
1550
c
1350
II! C
.r:.
1150
/
i
3, ,...nrRS/,.,1
~ 1X~
2i1 2i1
~. tZl
{.~.
II)
1;01
,31 j:;'
J~~;:'~::'.." J
ro /C.l,
:t~"-'.". I~ :::' ::'..:'
..; ::: ::.:::'.,.
~ ., ,.,
,.;'
..,.
Tenaga(keV)
!
Melalui proses sputtering menggunakan target Si, sputter gas Argon serta aliran gas nitrogen, telah terbentuk lapisan tipis SiN dengan proses reaktiv, yang berfungsi sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara dari sel surra ZnOAl. SiN-layer yang optimal pada substrat adalah daTi lapisan dengan kandungan Si daDN masing-masing sebesar4,4 % daD 2,5 %.berat atom. Dengan naiknyakandungan unsur N, tampaknya transmitan semakintinggi tetapi kemampuan daya sekatnya cenderung menurun. Peningkatan daya RF akan menurunkan transmitan lapisan tipis dari 98 % menjadi 94 %, pertambahan jarak elektroda akan menurunkantransmitansi. Tahanan lapisan tipis ZnOAl mengalami peningkatan tahanan sebsar48 % sedangkan ZnOAl/SiN hanya mengalami peningkatan tahanan sebesarO,6% dari 1.210 ohmmenjadi 1.218ohm.
..:
$".~
CI.~Ol
.(~"
r ~~ TIi~i.~
KESIMPULAN
Lapisantipis SiN yang tepatuntuk aplikasi ini adalah thin films yang mempunyai prosentase transmitansitinggi tetapi mempunyaidayasekatyang baik. Untuk mendapatkanlapisantipis yangdemikian, sangat bergantungdari senyawacampuranunsur N daDSi. Untuk mengetahuiunsuryangterdeposisipada substratkacamaka lapisantipis yangyangterdeposisi pada substrat kaca diamati denganAPNC.(Analisa Pengatipan Netron Cepat) Pengamatandilakukan sebelumdaDsesudahsubstratkaca dideposisidengan lapisan tipis, karena sebagianbesar substrat kaca
~
:ii
. "
Gamba,. 6. Spektrum daTi tenaga pada unsur SiN pada .tubstrat kaca
350
1:'0'" I.&"j
,. 1\
Z,
~
1250
~
I.,.JAZtji. 31 ..
~c,... ~~:I.
~...1 ;:T'~~~~~:~i~
/
II!
~. 1b~1
t ~. ...~,,~
1450
.£.
1.~.S ~,,~, *~.~ n~ C"tl
yang optimal.
E .r:.
mengandung un sur Si. Pada Gambar 5. disajikan spektrumtenagadari Si pada substratkaca (tanpa lapisan tipis) yaitu pada 1.763,02 keY; prosentase unsur Si mencapai61 %. Untuk mengetahui prosentase lapisan tipis SiN yang terdeposisi pada substrat dibuat substrat standar daTibahan mumi daTiSi. kemudian diamati cacahnya. UnsurSi terletakpadatenaga 1.753,54keV danNpada 523,94ke V Dengan membandingkan cacah dari bahan standar daD lapisan tipis SiN maka dapat diketahui prosentasekandungan Si 4,4 %danN. 2,5% Spektmm dari lapisan tipis SiN disajikan pada Gambar6.
I
,
r '~~I 1O1A:.; .~:.
:
:. .
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Giri Slamet yang telah membuat lapisan tipis SiN, Sdri. IT Elin Nuraini dan Sunardi SEunt1Jkpengukuran APNC, serta Sdri. Endang Nawangsih AMd yang telah mengukur transmitansi.
,,;
~~
'~' j~ ~ii;,;;',:', ":",,, ,;;;, ~..., g.S.. , "~""'""",:S'~'J'. ,Z '" " '. ,.~,"~ '.~-' , "".! '( '.. ,'.;~,~ """'" ~,~ "».":r,'",~." ." "'. ~ "'" .;; ,,;- ~,,~, "
~~l_~~'~~~;;;t;{,'I
UCAPAN TERIMA KASm
U~ Tenaga(keV)
Gambar 5, SpektrumdaTitenagaunsur Si pada substrat kaca tanpa lapisan tipis
145
[4].
Prosiding Pertemuan l1miah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN1411-2213
DAFTARPUSTAKA rl1. TADATSUGU MINAMI, HIDEO SONOHARA, SHINZO TAKATA, ICHIRO FUKUDA,Low temperaturefomIation of texturedZnO transparent electrodes by magnetron sputtering, J. Vac. Sci. Technol,A 13(3), (1995) [2]. H. OECHSNER Sputteringa review of somerecent experimental and theoretical aspect,Appl Phys, 8 [3].
(185),(2000) K. TAKA HASffi, M. KONAGAL4morphou.s Silicon Solar Cells, North Oxford Academic,
(1999). J MORT, F JONSON,Plasma Deposited Thin Film, CRC PressInc. Florida, (1985). [5], LAWRENCE H., VAN VALACK, Ilmu dan Teknologi Bahan, Penerbit Erlangga, Jakarta, [6J
(1991). V DAUDRIX, C DROZ, N WYRSC,Y ZIEGLER, X NIQUILE, A SHAH, De\'olepment of more .stable amorphous silicon thin.li 1msolar cells deposisted moderately high temperatue, Institute de Microtehnique, Universite de Neuchatel, (2000).
Ke Daftar Isi 146
