Penumbuhan Lapisan Tipis µc-si:h Tipe-P dengan Metode HW-PECVD untuk Aplikasi Sel Surya

Penumbuhan Lapisan Tipis mc-Si:H Tipe-P dengan Metode HW-PECVD untuk Aplikasi Sel Surya Jasruddin, Abdul Haris, dan Helmi Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Makassar, Makasar e-mail: [email protected], [email protected] Diterima 19 Februari 2009, disetujui untuk dipublikasikan 16 Maret 2009 Abstrak Lapisan tipis silikon mikrokristal terhidrogenasi (mC–Si:H) tipe-p telah berhasil ditumbuhkan pada reaktor hot wire plasma enhanced chemical vapor deposition (HW-PECVD) dengan menggunakan gas silan (SiH4) dan gas diboron (B2H6) yang masing-masing dilarutkan 10% dalam hidrogen (H2) sebagai sumber gas. Lapisan tipis yang telah ditumbuhkan memiliki lebar celah pita optik yang menurun dari 1,88 eV menjadi 1,50 eV pada saat konsentrasi doping meningkat dari 0,5% ke 2,0% pada tegangan filamen 4,5 volt dan daya RF 100 watt. Konduktivitas gelap dan terang lapisan tipis cukup tinggi, yaitu masing-masing pada orde 10-8–10-6 Scm-1, dan 10-5–10-3 Scm-1. Konduktivitas ini lebih tinggi dua orde dari konduktivitas lapisan tipis a-Si:H tipe-p yang ditumbuhkan dengan teknik PECVD tanpa filamen panas (hot-wire). Dengan demikian lapisan tipis yang dihasilkan dalam studi ini baik untuk aplikasi sel surya dan divais mikroelektronik lainnya. Kata kunci: Celah optik, Filamen panas, Konduktivitas, Tipe-p Abstract Thin film of microcrystal silicon hydrogenated (µC-Si:H) p-type has been successfully grown in a hot-wire plasma enhanced chemical vapor deposition (HW-PECVD) by using silane gas (SiH4) and diborane (B2H6) diluted in 10% H2 respectively as gas resources. The resulted thin film have optical band gap decreased from 1.88 eV to 1.50 eV as the dopant concentration increased from 0.50% to 0.20% on filament voltage of 4.5 volt and RF power of 100 watt. Dark and photo conductivities of the film were found significantly high, in the order of 10-8-10-6 Scm-1 and 10-5-10-3 Scm-1 respectively. The conductivity is two order higher than thin film a-Si:H p-type grown using PECVD technique without hot-wire. It is concluded that the thin film produced in this study is suitable for solar cell application and other microelectronic devices. Keywords: Optical band gap, Hot-wire, Conductivity, P-type 1. Pendahuluan

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 persediaannya tidak cukup pada saat sel surya diproduksi dalam jumlah yang sangat besar sehingga menyebabkan biayanya menjadi mahal. Lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) adalah material yang baik untuk pengembangan divais elektronik dan optoelektronik, seperti sel surya, thin film transistor, fotoreseptor, sensor warna, thin film light emitting diode dan lainlain (Matsui dkk., 2002; Malago dkk., 2000). Ini

Para ahli energi memprediksikan bahwa dalam kurun waktu 30–40 tahun ke depan, dunia akan mengalami krisis energi yang berasal dari minyak bumi secara serius, bahkan tidak menutup kemungkinan akan habis. Masalah lain yang muncul akibat penggunaan energi dari minyak bumi adalah munculnya isu peningkatan gas emisi, khususnya gas karbondioksida (CO2) di udara. Ini berarti bahwa pengembangan sumber energi yang jumlahnya tak terbatas serta ramah lingkungan adalah suatu keharusan. Salah satu sumber energi yang memenuhi syarat tersebut adalah energi matahari. Energi matahari tersedia sepanjang masa dan mampu meradiasikan energi sebesar 4 x 1018 watt jam setiap hari. Alat yang dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik arus DC secara langsung disebut sel surya atau photovoltaic. 9

10 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2009, VOL. 14 NO. 1

disebabkan karena material a-Si:H mempunyai koefisien absorpsi cahaya yang tinggi (106 cm-1), celah pita optik lebar (1,7eV–2,0eV), temperatur penumbuhan rendah (200 oC), dan dapat ditumbuhkan pada substrat gelas yang harganya murah dan persediannya melimpah. Dengan demikian maka a-Si:H menjadi material yang murah untuk diaplikasikan pada berbagai divais semikonduktor jika dibandingkan dengan silikon kristal (c-Si) yang mempunyai celah pita optik 1,12eV, dan koefisien absorpsi 104 cm-1 (Mukhopadhyay dkk., 2001; Street, 1991). Kelemahan lapisan tipis a-Si:H adalah konduktivitas listriknya rendah, yaitu 10-10-10-5 Scm-1, sedangkan konduktivitas listrik c-Si adalah 10-4Scm-1104 Scm-1 (Matsui dkk., 2002; Mukhopadhyay, 2001). Untuk meningkatkan konduktivitas listrik lapisan tipis a-Si:H dapat dilakukan dengan beberapa teknik, diantaranya yang saat ini baru dikembangkan adalah melalui penumbuhan dengan menggunakan teknik hotwire chemical vapor deposition (HW-CVD). Dengan teknik ini, Klein dkk. (2002) berhasil menumbuhkan lapisan tipis a-Si:H yang berfasa mikrokristal dengan konduktivitas listrik 10-6 Scm-1-10-4 Scm-1 dan laju deposisi tinggi, yaitu 4 Ås-1. Laboratorium Fisika material elektronik (Fismatel) Departemen Fisika Institut Teknologi Bandung (ITB) dimana peneliti terlibat didalamnya telah berhasil mengembangkan reaktor PECVD yang dilengkapi filamen panas antara elektroda katodaanoda. Reaktor ini disebut hot-wire PECVD (HWPECVD). Kelebihan HW-PECVD dibandingkan HWCVD adalah temperatur substrat masih tetap rendah, sehingga lapisan tipis dapat ditumbuhkan pada berbagai jenis substrat. Laboratorium Fismatel juga telah berhasil mengembangkan parameter baru penumbuhan lapisan tipis a-Si:H pada reaktor PECVD dengan celah pita optik lebar, yaitu 2,04 eV (Syamsu dkk. 2000). Melalui kombinasi parameter baru dan teknik HW-PECVD seperti tersebut di atas, dalam studi ini telah dikembangkan lapisan tipis mc-Si:H tipe-p dengan konduktivitas dan laju deposisi tinggi, dan celah pita optik lebar untuk aplikasi sel surya. Lapisan tipis tipe-p yang merupakan lapisan jendela pada divais sel surya sangat mempengaruhi unjuk kerja sel surya. Dengan kata lain, pengembangan lapisan tipe-p adalah sesuatu yang mutlak dilakukan dalam upaya meningkatkan unjuk kerja sel surya. 2. Metode Eksperimen Sistem Hot Wire Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (Hot Wire PECVD) dikembangkan dari sistem PECVD untuk penumbuhan lapisan tipis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) dan silikon mikrokristal terhidrogenasi (mc-Si:H). Sistem Hot Wire PECVD adalah sistem PECVD yang ditambahkan

dengan filamen panas, yaitu filamen berupa kawat lurus yang diletakkan membentang diantara kedua elektroda dan dihubungkan dengan sumber tegangan. Selama proses penumbuhan lapisan tipis, filamen dipanaskan dengan suplai daya listrik secara langsung dan temperaturnya dipertahankan konstan selama eksperimen berlangsung. Dalam studi ini, lapisan tipis mc-Si:H tipe-p ditumbuhkan di atas gelas Corning 7059 dengan teknik HW-PECVD yang ada di Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika Institut Teknologi Bandung (ITB). Skema reaktor HW-PECVD disajikan pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema sistem reaktor HW-PECVD. Gas Silan (SiH4) yang dilarutkan 10% dalam hidrogen (H2) dan gas B2 H6 sebagai dopan telah digunakan sebagai sumber gas. Tekanan reaktor sebelum penumbuhan adalah 10-4 Torr, sedangkan tekanan selama penumbuhan berlangsung dipertahankan pada 10-1 Torr. Temperatur substrat dipertahankan pada 200 oC, frekuensi radio (RF) 13,56 MHz dengan daya 100 watt, dan tegangan filamen (VF) dipertahankan pada 4,5 volt, dan prosentase doping bervariasi dari 0,5%-2,0% pada laju aliran gas SiH4 sebesar 90 sccm. Lapisan tipis yang telah ditumbuhkan selanjutnya diukur konduktivitas gelap dan terangnya dengan teknik koplanar dan menggunakan lampu Xenon sebagai sumber cahaya. Celah pita optik lapisan dihitung dengan menggunakan metode Tauc dari data transmitansi yang diukur dengan spektroskopi UV-Vis. Untuk mengamati perubahan struktur fasa lapisan tipis mc-Si:H tipe-i, telah dilakukan pengukuran bagian permukaan lapisan dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), sedangkan untuk mengetahui orientasi kristal, dilakukan pengukuran spektrum dengan X-Ray Diffraction (XRD). 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Hasil pengukuran transmitansi Dari Gambar 2 di bawah ini terlihat bahwa untuk lapisan tipis mc-Si:H tanpa doping (intrinsik,

Jasruddin dkk, Penumbuhan Lapisan Tipis mc-Si:H Tipe-P dengan Metode HW-PECVD 11

Transmitansi (%)

¨ Uc-Si:H ¡

Doping 0,5%

D Doping 1,0% o Doping 1,5% Í Doping 2,0%

[B2H6/SiH4] (%)

Gambar 3. Grafik laju penumbuhan dan celah pita optik lapisan tipis mC-Si:H tipe-p sebagai fungsi dari prosentase doping B2H6, VF = 4,5 volt, daya RF = 100 watt dan QSiH4 = 90 sccm. Gambar 3 memperlihatkan bahwa, semakin besar prosentase doping, celah pita optik menurun dan laju penumbuhan (laju deposisi) lapisan meningkat untuk prosentase doping meningkat dari 0,5–1,0%. Pada saat prosentase doping lebih besar dari 1,0%; laju deposisi menurun. Penurunan laju deposisi ini diduga akibat meningkatnya pelepasan atom hidrogen pada saat atom hidrogen lebih reaktif selama proses penumbuhan. Ikatan hidrogen yang paling mungkin terlepas adalah ikatan treehidrid dan dihidrid. Hal ini juga yang menyebabkan turunnya celah pita optik. Namun demikian, dengan masuknya atom boron, berarti satu elektron pada kulit terluar dari Boron akan diberikan kepada Silikon untuk dipakai bersama dengan membentuk ikatan kovalen. Ini berarti akan terbentuk muatan bebas positif yang disebut hole. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya peningkatan konduktivitas gelap maupun konduktivitas terang lapisan tipis mC-Si:H tipe-p seperti terlihat pada Gambar 4 di bawah ini.

Dari Gambar 2 juga terlihat bahwa terjadi interference fringe pada semua lapisan. Interference fringe terjadi sebagai efek dari ketebalan lapisan. Semakin tinggi atau semakin banyak jumlah interference fringe pada interval panjang gelombang tertentu mengindikasikan ketebalan lapisan. Dari pola interference fringe pada Gambar 2 menunjukkan bahwa ketebalan lapisan dalam studi ini relatif sama.

Konduktivitas (Scm -1)

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 2. Grafik transmitansi lapisan tipis mC-Si:H tipe-p sebagai fungsi dari panjang gelombang untuk prosentase doping diboron 0%; 0,5%; 1,5%; dan 2,0%, daya RF=100 watt, VF= 4,5 volt, dan QSiH4 = 90 sccm.

Celah Pita Optik (eV)

3.2 Hasil perhitungan celah pita optik, laju deposisi, dan konduktivitas

Laju Deposisi (Ås-1)

tipe-i), lapisan tipis tersebut dapat meneruskan cahaya tampak sebesar 5,2%-85,4% pada panjang gelombang antara 550–750 nm. Pada saat diberikan doping sebesar 0,5%, transmitansi lapisan relatif tidak mengalami perubahan. Pada saat persentase doping ditingkatkan menjadi 1,0%; transmitansi lapisan mengalami penurunan, yaitu hanya dapat meneruskan cahaya tampak sebesar 5,5%–70% pada daerah panjang gelombang 600 nm–780 nm. Untuk doping 1,5%; lapisan hanya dapat meneruskan cahaya tampak sebesar 3,5%–55,9% pada daerah panjang gelombang 670 nm– 820 nm, sedangkan pada saat persentase doping 2,0%; lapisan tipis hanya dapat meneruskan cahaya tampak 3,5%–45% pada daerah panjang gelombang 678 nm– 820 nm. Dengan kata lain, untuk kondisi ini, semakin besar persentase doping, transparansi lapisan tipis semakin menurun. Ini berarti celah pita optik lapisan tersebut menurun seiring dengan meningkatnya konsentrasi atom boron dalam lapisan. Hal ini sesuai dengan hasil pengukuran celah pita optik seperti terlihat pada Gambar 3. Penurunan transmitansi ini disebabkan oleh terjadinya peningkatan keadaan terlokalisasi akibat pelepasan kembali ikatan hidrogen pada saat terjadi ikatan Si-B (silikon-boron) dan bertambah acaknya panjang rantai ikatan antara atom-atom. Ini dapat dipahami sebab energi ikat antara Si-B lebih besar dari energi ikat Si-H.

1x10+0 1x10-1 1x10-2 1x10-3 1x10-4 1x10-5 1x10-6 1x10-7 1x10-8 1x10-9 1x10-10 [B2H6/SiH4] (%)

Gambar 4. Hasil pengukuran konduktivitas gelap dan konduktivitas terang lapisan tipis mC-Si:H tipe-p sebagai fungsi dari persentase doping B2H6, daya RF = 100 watt, VG = 4,5 volt, dan QSiH4 = 90 sccm.

12 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2009, VOL. 14 NO. 1

Dari Gambar 4 di atas terlihat bahwa konduktivitas gelap adalah dalam orde 10-8-10-5 Scm-1, sedangkan konduktivitas terangnya adalah dalam orde 10-5-10-3 Scm-1. Konduktivitas lapisan tipis mC-Si:H tipe-p ini lebih tinggi dua orde daripada konduktivitas lapisan tips silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) tipep yang ditumbuhkan dengan teknik PECVD (tanpa Hot-Wire). Peningkatan konduktivitas lapisan tipis mCSi:H tipe-p disebabkan oleh menurunnya cacat di ekor pita akibat munculnya fasa mikrokristal diantara fasa amorf. Dengan demikian, perangkap elektron di daerah ekor pita berkurang dan dengan sendirinya mobilitas pembawa muatan meningkat. Kehadiran daerah mikrokristal dalam lapisan diperlihatkan oleh hasil

pengukuran struktur permukaan lapisan seperti terlihat pada Gambar 5. 3.3 Hasil pengukuran permukaan lapisan tipis dengan SEM Pada saat atom hidrogen terinkorporasi ke dalam matriks silikon, ternyata juga dapat meningkatkan jumlah dan ukuran butir mikrokristal dalam lapisan, seperti terlihat dari hasil SEM pada Gambar 5 di bawah ini. Penyebab terjadinya jumlah dan ukuran butir ini belum dapat ditentukan. Untuk memastikannya masih diperlukan studi lanjut.

(a)

(b)

Tipe-p; 1,0%

Tipe-p; 2,0%

Gambar 5. (a) Hasil pengukuran surface lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan pada daya 80 watt dan 100 watt. (b) Profil permukaan lapisan tipis mC-Si:H tipe-p yang ditumbuhkan pada konsentrasi doping B2H6 1,0% dan 2,0%; daya RF = 100 watt, VF = 4,5 volt, dan QSiH4 = 90 sccm.

Jasruddin dkk, Penumbuhan Lapisan Tipis mc-Si:H Tipe-P dengan Metode HW-PECVD 13

Dari Gambar 5 di atas terlihat dengan jelas bahwa ukuran butir lapisan tipis mC-Si:H tipe-p lebih banyak dan lebih besar daripada ukuran butir lapisan tipis mC-Si:H tipe-i. Secara teoritis, jika daerah mikrokristal diantara daerah amorf bertambah, dan ukuran butir semakin besar, maka mobilitas pembawa muatan dalam lapisan akan semakin tinggi, dengan kata lain, konduktivitas lapisan tersebut akan lebih tinggi. Ini berarti, karakteristik lapisan tersebut telah mendekati karakteristik kristal silikon, sedangkan sifat optiknya masih dapat dipertahankan. Hal inilah yang merupakan keunggulan material mC-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik HW-PECVD. 3.4 Hasil pengukuran spektrum lapisan dengan X-Ray Diffraction

Intensitas(counts) (counts) Intensitas

60

47,35 <220>

40 30

Ucapan Terima kasih Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Deputi Kementrian Riset dan Teknologi Republik Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui progran “Pengembangan Riset Sains Dasar MIPA”. Hal yang sama disampaikan kepada kepala Laboratorium PECVD Fismatel Jurusan Fisika ITB yang telah pendukung telaksananya penelitian ini.

28,41 <111>

50

interval 1,5–1,88 eV. Konduktivitas lapisan tipis tipe-p yang dihasilkan juga cukup tinggi, yaitu pada orde 10-8 -10-3 Scm-1. Konduktivitas ini lebih tinggi dua orde dari konduktivitas lapisan tipis a-Si:H, yaitu 10-10-10-6 Scm-1 Penambahan filamen panas (hot wire) pada sistem PECVD efektif meningkatkan laju penumbuhan (deposisi) lapisan tipis sehingga mencapai antara 1,762,54 Ås-1. Laju deposisi ini lebih tinggi daripada laju deposisi lapisan tipis amorphous silikon pada PECVD tanpa penambahan filamen panas. Dengan celah pita optik lebar, konduktivitas listrik dan laju deposisi tinggi seperti ini, maka lapisan tipis mC-Si:H tipe-p yang dihasilkan dalam studi ini sangat baik untuk aplikasi sel surya dan divais optoelektronik lainnya.

56,12 <311> 69,10 <400>

20

Daftar Pustaka

10 0 10

20

30

40

50

60

70

80

2 Theta (derajat) 2 Theta ( o) Gambar 6. Spektrum hasil XRD lapisan tipis mC-Si:H tipe-p dengan konsentrasi doping B2H6 dalam SiH4 sebesar 1,5%. Gambar 6 memperlihatkan spektrum XRD lapisan tipis yang ditumbuhkan dengan metode Hot Wire PECVD di atas gelas Corning 7059. Dari gambar tersebut terlihat adanya puncak difraksi pada sudut 2 theta secara berturut-turut 28,41; 47,35; 56,12; dan 69,10 dengan orientasi secara berturut turut <111>, <220>, <311>, dan <400>. Dari ukuran butir yang diindikasikan oleh intensitas (counts) mengindikasikan bahwa lapisan tipis tipe-p yang ditumbuhkan dengan metode HW-PECVD pada tekanan 100 mTorr, temperatur substrat 200 oC, frekuensi radio (RF) 13,56 MHz, daya pembangkit 100 watt, tegangan filamen (VF) 4,5 volt adalah lapisan tipis mikrokristal silikon terhidrogenasi (mC-Si:H) (Ichikawa dkk., 1999). 5. Kesimpulan Dari hasil dan pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa penelitian ini telah berhasil menumbuhkan lapisan tipis mC-Si:H tipe-p dengan celah pita optik lebar yang bersesuaian dengan panjang gelombang cahaya tampak dari matahari, yaitu pada

Ichikawa, M., J., Takeshita, A., Yamada, and M., Konagai, (1999), High Deposition Rate of Polycrystalline Silicon Thin Films Prepared by Hot Wire Cell Method, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 24-26. Malago, J. D., W. W. Wenas, T. Winata, and M. Barmawi, 2000, Growth Study of Wide Bandgap a-Si:H and a-SiN:H by PECVD Method For Application in Thin Film Transistor, Proceedings, 2000 International Conference on Semiconductor Electronics (ICSE’2000), Malaysia, 245-248. Matsui, T., M. Tsukiji. H. Saika, T. Tayoma and H. Okamoto, 2002, Correlation between Microstructure and Photovoltaic Performance of Polycrystalline Silicon Thin Film Solar Cells, Jpn. J. Appl. Phys., 41:1:1, 20-27. Mukhopadhyay, S., S. C. Saha and S. Ray, 2001, Role of Substrate Temperature on the Properties of Microcrystalline Silicon Thin Films, Jpn. J. Appl. Phys., 40:1:11, 6284-6289. Klein, S., J. Wolf, F. Finger, R. Carius, H. Wagner, and M. Stutzmann, 2002, Microcrystalline Silicon Prepared by Hot-Wire Chemical Vapour Deposition for Thin Film Solar Cell Applications, Jpn. J. Appl. Phys., 41:2:1A/B, 10-12. Street, R.A., 1991, Hydrogenated Amorphous Silicon, Cambridge University Press, Cambridge.

14 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2009, VOL. 14 NO. 1

Syamsu, J. D. Malago, A. Supu, Darsikin, Gulvarendi, T. Winata, dan M. Barmawi, 2000, Studi Awal Penumbuhan Lapisan Tipis Silikon Amorf Terhidrogenasi Dengan Metoda Hot-Wire PECVD, Prosiding Simposium Fisika Nasional XVIII, Puspitek-Serpong, Tangerang, 396-403.