STUDI EFEK FOTOVOLTAIK DAN PIROELEKTRIK Ba0,75Sr0,25TIO3 (BST) YANG DIDADAH GALIUM (BGST) DI ATAS SUBSTRAT SI (100) TIPE-P
ERDIANSYAH PRATAMA
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ABSTRAK ERDIANSYAH PRATAMA. Studi Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba0,75Sr0,25TiO3 (BST) yang Didadah Galium (BGST) di Atas Substrat Si (100)Tipe-P. Dibimbing oleh Dr. Irzaman dan Dr. Akhirrudin Maddu. Telah dilakukan penumbuhan film tipis BST dan BGST (didadah 5% Galium oksida) dipreparasi di atas substrat Si tipe-p menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Film tipis dideposisikan dalam 1 kali pelapisan dengan metode spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Anneling dilakukan pada temperatur 850oC, 900oC dan 950oC selama 15 jam pada masing-masing film tipis terdeposisi. Ketebalan dan morfologi permukaan film tipis BST dikarakterisasi dengan SEM JEOL model JSM-35C, Komposisi penyusun BST dikarakterisasi menggunakan EDS. Konstanta dielektrik dari film tipis diuji dengan menggunakan rangkaian yang dihubungkan pada sinyal generator, tahanan, dan osiloskop. Efek Fotovoltaik dari film tipis BST dan BGST diuji dengan rangkaian film tipis yang disinari oleh lampu (0 watt, 25 watt,dan 100 watt) dan dihubungkan terhadap tahanan sebesar 1Mohm. Efek piroelektrik dari film tipis BST dan BGST diuji dengan menggunakan rangkaian op-amp voltage to current converter dengan variasi suhu dari suhu ruang sampai 150oC. Hasil karakterisasi SEM menunjukkan morfologi permukaan film tipis yang relatif seragam serta ketebalan film tipis sebesar 0,629 m. Hasil karakterisasi EDS menunjukkan adanya penurunan persentase massa dari unsur penyusun film tipis BST. Hasil karakterisasi konstanta dielektrik menunjukkan film tipis bertindak sebagai kapasitor, konstanta dielektrik maksimum terjadi pada film tipis BST pada suhu anneling 9000C yaitu sebesar 9.207, dimana secara rata-rata seiring kenaikan suhu anneling, konstanta dielektrik film tipis semakin menurun. Penambahan pendadah galium membuat konstanta dielektrik semakin menurun. Hasil karakterisasi fotovoltaik telah menunjukkan adanya efek konversi cahaya menjadi listrik dimana suhu anneling yang semakin tinggi membuat hasil keluaran arus semakin kecil, selain itu efek pendadah galium pada film tipis BGST membuat arus keluaran semakin kecil, hasil maksimum terjadi pada film BST dengan suhu anneling 850oC yaitu 13E-7 mV. Pengaruh Intensitas sumber yang semakin tinggi membuat arus fotovoltaik meningkat. Hasil karakterisasi piroelektrik telah menunjukkan adanya gejala perubahan energi panas menjadi listrik, dimana koefisien piroelektrik yang didapat sebagai perbandingan rapat arus dengan laju suhu, koefisien piroelektrik maksimum terjadi pada film tipis BST pada suhu anneling 850 oC berkisar 9E-05. Efek pendadah galium membuat koefisien piroelektrik menurun. Kata Kunci : BST,BGST, film tipis, CSD, spin coating.
STUDI EFEK FOTOVOLTAIK DAN PIROELEKTRIK Ba0,75Sr0,25TIO3 (BST) YANG DIDADAH GALIUM (BGST) DI ATAS SUBSTRAT SI (100) TIPE-P
Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
ERDIANSYAH PRATAMA G74104050
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
Judul Skripsi : Studi Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba0,75Sr0,25TiO3 (BST) yang Didadah Galium (BGST) di atas Substrat Si (100)Tipe-P Nama : Erdiansyah Pratama NRP : G74104050
Menyetujui :
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Irzaman Pembimbing I
Dr.Akhiruddin Maddu Pembimbing II
Mengetahui : Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. drh. Hasim, DEA NIP: 131578806 Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bandung pada tanggal 19 januari 1987. penulis dilahirkan dari keluarga yang sederhana dari pasangan Bapak Erwan dengan Ibu Uce. Penulis merupakan anak pertama dari dua bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Nilem II bandung pada tahun 1998. kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMPN 2 Bandung sampai dengan tahun 2001dan melanjutkan ke jenjang menengah atas di SMUN 8 Bandung sampai dengan tahun 2004, pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan sarjana strata satu di Jurusan Fisika IPB melalui jalur SPMB. Selama masa perkuliahan berjalan, penulis pernah mengikuti beberapa kegiatan kemahasiswaan diantaranya: mengikuti acara kompetisi fisika se-Indonesia yang dilakukan di IPB, mengikuti beberapa pelatihan diantaranya, mengikuti program pembelajaran corel draw untuk mahasiswa fisika IPB, pernah mengikuti beberapa seminar, diantaranya penulis berlaku sebagai panitia dalam seminar internasional Biofisika di IPB. Selain itu penulis pernah terdaftar sebagai calon mahasiswa berprestasi fisika pada tahun 2007.
PRAKATA Assalamualaikum Wr. Wb. Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan pembuatan skripsi ini sebagai salah satu syarat dalam kelulusan strata satu di Institut Pertanian Bogor. Shalawat serta salam senantiasa tercurah pada Nabi Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat, serta segenap umatnya hingga akhir jaman. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Bapak dan Ibu tersayang atas doa serta dukungan moril maupum materil. Bapak Dr. Irzaman selaku pembimbing I yang senantiasa memberi pengarahan terbaik. Dr.Akhiruddin Maddu selaku pembimbing II yang senantiasa memberi pengarahan terbaik. Seluruh Dosen Pengajar di Departemen Fisika IPB. Seluruh staf dan karyawan di Departemen Fisika IPB. Seluruh kawan-kawan Fisika angkatan 41 yang baik hati dan senantiasa mendukung kami. Prof. Ika Ismet dari LIPI Bandung, yang telah memberi pengarahan mengenai penelitian ini. Kawan-kawan SISCO yang senantiasa ada dan mendukung saya. kawan-kawan AADC crew yang senantiasa mendukung saya. Bapak Warya atas bantuannya di Laboratorium Fismatel ITB. Bapak Wikanda atas bantuannya di Laboratorium SEM PPGL. Semua pihak yang telah membantu saya dalam penulisan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan masukan baik berupa kritik, saran, dan koreksi lain yang membangun untuk mengisi kekurangan-kekurangan pada skripsi ini. Semoga hasil dari penulisan skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Wassalamualaikum Wr. Wb.
Bogor, Mei 2008
Penulis
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL .................................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR................................................................................................................. viii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................. ix PENDAHULUAN..................................................................................................................... 1 Latar Belakang ................................................................................................................ 1 Tujuan Penelitian.............................................................................................................. 1 TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................................................ 1 Material Piroelektrik ........................................................................................................ 1 Substrat-Si (Silikon) ......................................................................................................... 2 Barium Stronsium Titanate (Ba0,75Sr0,25TiO3) .................................................................. 2 Bahan Pendadah Galium Oksida (Ga2O3) ........................................................................ 3 Metode Chemical Solution Deposition (CSD).................................................................. 3 Efek Fotovoltaik ............................................................................................................... 4 Kapasitor dan konstanta dielektrik ..................................................................................... 5 SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDS (Electron Dispersion Spectroscopy) ... 6 BAHAN DAN METODE.......................................................................................................... 7 Tempat dan Waktu Penelitian........................................................................................... 7 Bahan dan Alat Penelitian ................................................................................................ 7 Pembuatan Film Tipis....................................................................................................... 7 Persiapan Substrat ............................................................................................................ 7 Pembuatan Larutan BST................................................................................................... 7 Proses Deposisi BST ........................................................................................................ 7 Proses Annealing .............................................................................................................. 7 Pembuatan Kontak alumunium........................................................................................... 8 Karakterisasi SEM dan EDS............................................................................................. 8 Karakterisasi Konstanta Dielektrik................................................................................... 8 Karakterisasi Fotovoltaik.................................................................................................. 9 Karakterisasi Piroelektrik ................................................................................................. 9 HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................................................. Karakterisasi SEM dan EDS............................................................................................. Karakterisasi Konstanta Dielektrik................................................................................... Karakterisasi Fotovoltaik.................................................................................................. Karakterisasi Piroelektrik .................................................................................................
10 10 11 13 15
KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................................. 17 Kesimpulan....................................................................................................................... 17 Saran................................................................................................................................. 17 DAFTAR PUSTAKA................................................................................................................ 17 LAMPIRAN .............................................................................................................................. 19
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Komposisi Penyusun BST dalam edx oxide................................................................ Tabel 4.2. Komposisi Penyusun BST dalam edx pure................................................................. Tabel 4.3. Hasil Keseluruhan konstanta dielektrik film tipis BST dan BGST............................. Tabel 4.4. Hasil keseluruhan arus fotovoltaik pada film tipis BST dan BGST........................... Tabel 4.5. Hasil keseluruhan koefisien piroelektrik pada film tipis BST dan BGST.................
10 11 13 14 16
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Hubungan suatu kekonduksian bahan terhadap suhu .......................................... 2 Gambar 2.2. Struktur dua dimensi kristal silikon ..................................................................... 2 Gambar 2.3. Penampang melintang kapasitor BST.................................................................. 2 Gambar 2.4. Struktur BaxSr1-xTiO3 ........................................................................................... 3 Gambar 2.5. Struktur atom trivalent ......................................................................................... 3 Gambar 2.6. Alat spin coating (spin coater) ............................................................................ 3 Gambar 2.7. Penampang melintang proses spin coating .......................................................... 4 Gambar 2.8. Defect pada proses deposisi thin film................................................................... 4 Gambar 2.9. Persambungan semikonduktor p-n....................................................................... 4 Gambar 2.10. Absorpsi optik..................................................................................................... 5 Gambar 2.11. Sel surya p-n semikonduktor ketika disinari...................................................... 5 Gambar 2.12 . Gambar pengisian muatan pada kapasitor............................................................ 6 Gambar 2.13 . Cara kerja SEM................................................................................................... 6 Gambar 3.1. Skema proses annealing ..................................................................................... 8 Gambar 3.2. Kontak Al ........................................................................................................... 8 Gambar 3.3. Rangkaian penentuan konstanta dielektrik film tipis.......................................... 8 Gambar 3.4. Hasil keluaran Osiloskop untuk perhitungan konstanta dielektrik........................ 9 Gambar 3.5. Rangkaian pengukuran fotovoltaik...................................................................... 9 Gambar 3.6. Rangkaian current to voltage converter (piroelektrik)......................................... 9 Gambar 4.1.
Morfologi permukaan film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850oC dan perbesaran 5.000 kali............................. Gambar 4.2. Morfologi permukaan film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850oC dan perbesaran 20.000 kali............................ Gambar 4.3. Penampang melintang film tipis BST di atas substrat Si-p (100) dengan temperatur anneling 850o C dan perbesaran 20.000 kali.......................... Gambar 4.4. komposisi penyusunnya BST dalam edx oxide....................................................
10
Gambar 4.5.
11
komposisi penyusunnya BST dalam edx pure......................................................
10
10 11
Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu 850 oC.......................................... 12 Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu 900 oC......................................... 12 Hasil dielektrik pada film tipis BST pada suhu 950 oC.......................................... 12 Hasil dielektrik pada film tipis BGST pada suhu 850 oC........................................ 12 Hasil dielektrik pada film tipis BGST pada suhu 900 oC......................................... 12 Hasil dielektrik pada film tipis BGST pada suhu 950 oC......................................... 13 Hasil pengukuran konstanta dielektrik pada suhu anneling 850oC, 900oC, dan 950oC......................................................... 13 Gambar 4.13. Hasil pengukuran arus sel fotovoltaik Gambar 4.6. Gambar 4.7. Gambar 4.8. Gambar 4.9. Gambar 4.10. Gambar 4.11. Gambar 4.12.
Gambar 4.14. Gambar 4.15. Gambar 4.16. Gambar 4.17. Gambar 4.18. Gambar 4.19. Gambar 4.20.
pada suhu anneling 850oC, 900oC, dan 950oC......................................................... 14 Grafik piroelektrik pada film BST dengan suhu anneling 850 0C.......................... 16 Grafik piroelektrik pada film BST dengan suhu anneling 900 0C.......................... 16 Grafik piroelektrik pada film BST dengan suhu anneling 950 0C.......................... 16 Grafik piroelektrik pada film BGST dengan suhu anneling 850 0C........................16 Grafik piroelektrik pada film BGST dengan suhu anneling 900 0C........................16 Grafik piroelektrik pada film BGST dengan suhu anneling 900 0C........................16 Hasil pengukuran koefisien piroelektrik pada suhu anneling 850oC, 900oC, dan 950oC……………………………………16
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Diagram alir penelitian........................................................................................... 20 Lampiran 2. Data lengkap hasil perhitungan karakterisasi konstanta dielektrik ....................... 21 Lampiran 3. Data lengkap hasil pengukuran karakterisasi piroelektrik .................................... 27
PENDAHULUAN Latar Belakang Material dielektrik, umumnya jenis kovalen atau ionik, mempunyai energi gap yang besar antara pita valensi dan pita konduksi, material ini mempunyai hambatan listrik yang tinggi dan aplikasi terpenting adalah sebagai isolator, yang menghalangi transfer muatan listrik, dan kapasitor, yang menyimpan muatan listrik. Material dielektrik ini mempunyai sifat piroelektrik, pizoelektrik dan ferroelektrik [1]. Barium stronsium titanat, BST, merupakan material ferroelektrik yang telah sangat dikenal dan sangat berpotensi sebagai thin film integreted host karena sifat elektronik dan elektrooptiknya [2]. Karakteristik BST adalah memiliki konstanta dielektrik, kapasitas penyimpanan muatan dan polarisasi yang tinggi, maka bahan BST dapat digunakan dalam aplikasi elektronik seperti : penggunaan FRAM (Ferroelectric Random Acces Memory), pembuatan kapasitor film tipis, sensor piroelektrik karena adanya perubahan suhu, sebagai sensor tekanan (Piezoelectric), sensor cahaya yang memaanfaatkan sifat persambungan semikonduktor [3]. Efek fotovoltaik (PV) merupakan fenomena dimana suatu material dapat mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung, pertama kali diamati oleh seorang fisikiawan Prancis bernama Edmond Becquerel (1839). Hasil pengamatan ini dilanjutkan oleh ilmuwan-ilmuwan selanjutnya seperti Heinrich Hertz (1870) yang pertama kali mendemonstrasikan sel PV padat dari bahan semikonduktor (bahan selenium). Sel PV ini hanya mampu mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik dengan efisiensi 1% sampai 2 % [4]. Penumbuhan film BST yang didadah oleh bahan pengotor galium oksida (BGST) merupakan salah satu penelitian yang telah banyak diuji. Dalam penelitian ini, perbedaan konsentrasi larutan merupakan salah satu pembeda dari penelitian-penelitian sebelumnya. Penumbuhan film BST dapat dilakukan dengan beberapa metode, salah satunya metode chemical solution deposition (CSD). Beberapa alasan digunakannya metode ini dikarenakan kontrol stokiometri yang mudah, dan sintesis dapat terjadi pada temperatur rendah [2].
Tujuan Penelitian Melakukan penumbuhan film tipis BST murni dan film tipis dengan bahan pendadah galium oksida (BGST) diatas substrat Si (100) tipe-p dengan metode chemical solution deposition (CSD). Melakukan uji SEM dan EDS pada film tipis BST dan BGST. Mengukur konstanta dielektrik film tipis BST dan BGST. Melakukan uji fotovoltaik film tipis BST dan BGST. Melakukan uji piroelektrik film tipis BST dan BGST.
TINJAUAN PUSTAKA Material Piroelektrik Beberapa material yang mempunyai simetri kristal rendah, diketahui bermuatan listrik apabila dipanaskan; hal ini disebut piroelektrik. Karena simetrinya rendah, letak pusat gravitasi muatan positif dan negatif di sel satuan terpisah hingga terbentuk momen dipol permanen. Selain itu, pengarahan dipol individu menghasilkan momen dipol menyeluruh yang tidak sama dengan nol untuk kristal tersebut. Material piroelektrik digunakan sebagai detektor radiasi elektromagnetik untuk rentang yang lebar mulai dari ultraviolet hingga gelombang mikro; pada radiometer dan termometer yang peka terhadap perubahan temperatur yang kecil yaitu 6x10-6 oC. Telah dikembangkan pula kamera TV piroelektrik untuk pembuatan citra inframerah dan sangat bermanfaat pula untuk penginderaan dalam asap. Material BST cocok untuk penginderaan ini [1]. Suatu bahan piroelektrik semikonduktor ialah bahan dengan kekonduksian elektrik meningkat seiring dengan kenaikan suhu (lihat gambar 2.1). Di bawah suhu tertentu bahan tersebut tidak mengkonduksi. Dengan kata lain, suatu suhu tertentu diperlukan untuk elektron bergerak [5]. Pirosensor memiliki beberapa keunggulan diantaranya : respon frekuensi dengan rentang yang panjang, menggunakan temperatur ruang, respon temperatur yang cepat bila dibandingkan dengan sensor lainnya, dan kualitas optik yang tinggi [1].
