PEMBUATAN SEL SURYA HYBRID pn

2
Gambar 1 Pita energi semikonduktor
intrinsic 3.
(a)
(b)
Gambar 2 Semikonduktor (a) tipe-n, (b)
tipe-p.
(a)
(b)
Gambar 3 Energi Fermi pada semikonduktor
(a) tipe-n, (b) tipe-p
Semikonduktor extrinsic terdiri atas dua
tipe yaitu tipe-n dan tipe-p. Semikonduktor
tipe-n (Gambar 2a) memiliki elektron
sebagai pembawa muatan mayoritas.
Semikonduktor jenis ini atom pengotornya
memiliki kelebihan elektron (ion donor), hal
ini mengakibatkan kelebihan elektron di
dalam kristal sehingga semikonduktor
bermuatan negatif. Penambahan atom donor
ini akan mengubah keadaan energi Fermi
mendekat di bawah pita konduksi (Gambar
2a). Semikonduktor tipe-p (Gambar
2b)memiliki lubang (hole) sebagai pembawa
muatan mayoritas. Semikonduktor jenis ini
atom pengotornya kekurangan elektron (ion
acceptor),
hal
ini
mengakibatkan
kekosongan di dalam kristal sehingga
semikonduktor bermuatan positif. Gambar
3b menunjukkan energi Fermi pada
semikonduktor tipe-p mendekat ke atas pita
valensi.
Sel Surya p-n Junction
Sel surya adalah suatu piranti yang
mengkonversi energi cahaya menjadi energi
listrik. Pada umumnya sel surya dibuat dari
bahan semikonduktor anorganik, seperti
silikon mono kristal dan multi kristal. Sel
surya konvensional seperti ini dapat
menyerap cahaya matahari lebih dari 24%.
Efisiensi yang telah dicapai oleh sel surya
berbahan dasar material anorganik sekitar
10-20%. Sel surya konvensional pada
umumnya tersusun dari persambungan
semikonduktor tipe-p dan tipe-n (p-n
junction).
Hal terpenting pada sel surya p-n adalah
adanya pemisahan muatan, yaitu hole dan
elektron akibat penyinaran oleh cahaya.
Adanya persambungan antara kedua tipe
semikonduktor
ini
mengakibatkan
terbentuknya potensial pada persambungan
dan difusi muatan. Difusi muatan terjadi
karena adanya gradient konsentrasi muatan
pembawa antara semikonduktor tipe-p dan
tipe-n. Difusi hole dari semikonduktor tipep menuju tipe-n, sedangkan elektron dari
semikonduktor tipe-n menuju tipe-p.
Difusi hole dan elektron tidak terjadi
terus menerus, karena ketika hole
meninggalkan tipe-p dan hilang di dalam
tipe-n akibat rekombinasi, maka sebuah
akseptor diionisasikan menjadi negatif di
daerah tipe-p yang membentuk muatan
ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada
elektron yang meninggalkan muatan ruang
positif pada daerah tipe-n, sehingga
membangkitkan medan listrik yang berasal
dari ruang muatan postif menuju ruang
muatan negatif (Gambar 4). Medan listrik ini
menghambat difusi hole dan elektron.
Medan listrik menjadi bertambah kuat
dengan semakin banyaknya difusi dan
rekombinasi. Aliran-aliran muatan pembawa
ini segera berhenti setelah terdapat
keseimbangan antara aliran difusi dan aliran
drift. Keseimbangan ini ditandai oleh adanya
kesamaan antara tingkat energi Fermi tipe-p
dan tipe-n (Gambar 5).
2
3
netral
deplesi
netral
ke tipe-p dan difusi hole dari tipe-p ke tipen. Rapat arus total (J) yang mengalir pada
saat persambungan p-n di bias maju adalah
pertambahan rapat arus difusi pada sisi-n
(Jn) dengan rapat arus difusi pada sisi-p (Jp).
⎛ qVkTF ⎞
J = J p + J n = J 0 ⎜⎜ e − 1⎟⎟
⎝
⎠
Medan
Gambar 4 Proses pembentukan p-n
junction, (-) ion acceptor, (○) hole (+) ion
donor, (●) elektron2.
Keterangan : J0 adalah rapat arus saturasi
(A/cm), k adalah konstanta Boltzmann
(1.381 × 10−23 J/K), q adalah muatan (C) dan
T adalah suhu mutlak (K).
Pemasangan bias negatif pada sisi-p
dan positif pada sisi-n akan menaikkan
potensial internal pada daerah deplesi
(Gambar 6b). Keadaan ini disebut bias
mundur (reverse) (VR). Rapat arus yang
mengalir pada saat bias mundur adalah
⎛ − qVkTR
⎞
J = J 0 ⎜⎜ e
− 1⎟⎟
⎝
⎠
Gambar 5 Pita energi saat keseimbangan
termal3.
Pada keadaan seimbang, di dalam p-n
junction terbentuk
1. daerah tipe-p netral: daerah dengan
jumlah hole sama dengan jumlah
acceptor.
2. daerah muatan ruang tipe-p: daerah
diionisasikannya acceptor negatif.
3. daerah muatan ruang tipe-n: daerah
diionisasikannya donor positif
4. daerah tipe-n netral: daerah dengan
jumlah donor sama dengan jumlah
elektron.
Besarnya potensial internal pada daerah
deplesi dapat dipengaruhi oleh tegangan
external yang dipasang pada sisi-p dan sisin. Pemasangan tegangan bias positif pada
sisi tipe-p dan negatif pada sisi tipe-n akan
menurunkan potensial internal pada daerah
deplesi (Gambar 6a). Keadaan ini disebut
bias maju (forward) (VF). Pemasangan bias
maju akan menurunkan arus drift, tetapi
dapat menaikkan disfusi elektron dari tipe-n
(1)
(2)
Besarnya arus pembawa pada p-n
junction dipengaruhi oleh penyinaran
cahaya.
Penyinaran
cahaya
pada
persambungan p-n akan membentuk
pasangan elektron-hole yang memiliki
energi lebih besar dari pada celah energi.
Pembentukan pasangan elektron-hole terjadi
di daerah difusi dengan panjang Lp untuk
difusi hole dan Ln untuk difusi elektron.
Pasangan
elektron-hole
ini
akan
berkontribusi terhadap arus foto. Jumlah
pasangan
elektron-hole
dipengaruhi
intensitas cahaya yang datang. Pasangan
elektron-hole akan berpisah karena medan
listrik yang ada pada daerah deplesi. Adanya
pemisahan muatan pada daerah deplesi, akan
menghasilkan aliran arus dari sisi-n ke sisi-p
ketika sisi-p dan sisi-n dihubungkan dengan
kawat luar (Gambar 7).
Penyinaran p-n junction dengan cahaya
pada rangkaian terbuka mengakibatkan
pemisahan muatan pembawa. Pemisahan
muatan pembawa ini menghasilkan beda
potensial. Diagram pita energi p-n junction
pada saat dihubung singkat (short-circuited)
dan arus rangkaian terbuka (open-circuited
current) ditunjukkan pada Gambar 8a dan
8b.
3
4
hambatan seri (series resistance) sama
dengan nol. Ketika sisi-p dan sisi-n diisolasi,
elektron bergerak menuju sisi-n dan hole
menuju sisi-p. Elektron dan hole akan
berkumpul pada kedua sisi, sehingga
menghasilkan tegangan. Tegangan tersebut
dianamakan tegangan open-circuit (Voc).
Kurva karakteristik arus-tegangan p-n
junction saat disinari cahaya dan saat dalam
keadaan gelap (tidak menerima cahaya)
ditunjukkan oleh Gambar 9.
Gambar 6 (a) Pita energi saat dibias maju
(forward), (b) Pita energi saat dibias mundur
(reverse)3.
Gambar 7 Aliran muatan pada
persambungan p-n saat disinari cahaya
dalam rangkaian tertutup3.
Gambar 9 Kurva karakteristik arustegangan(I-V) saat gelap dan disinari
cahaya3.
Arus yang mengalir pada persambungan p-n
ketika disinari cahaya adalah:
qV
⎛ nkT
⎞
I = I 0 ⎜⎜ e − 1⎟⎟ − I sc
⎝
⎠
Ketika rangkaian terbuka
tegangannya adalah:
V oc =
Gambar 8 Pita energi p-n junction saat
disinari cahaya, (a) short-circuited dan (b)
open-circuited current 3.
Arus yang mengalir pada saat sisi-p dan
sisi-n dihubungkan seperti rangkaian
tertutup disebut arus short-circuit (Isc) yang
nilainya sama dengan arus foto (IL) jika
⎞
nkT ⎛ I sc
ln ⎜⎜
+ 1 ⎟⎟
q
⎝ I0
⎠
(3)
(I
=
0),
(4)
Keterangan : Voc adalah tegangan opencircuit (volt), Isc adalah arus short-circuit
(A), Io adalah arus yang mengaliar pada
rangkaian (A), N adalah jumlah paertikel, k
adalah konstanta Boltzmann (1.381 × 10−23
J/K), q adalah muatan (C) dan T adalah suhu
mutlak (K)
Fill factor merupakan parameter
fotovoltaik sel surya yang dapat dijadikan
penentu baik dan buruknya sel. Fill factor
4
5
(FF) dapat dicari dengan menggunakan
persamaan:
FF =
Vm I m
Voc I sc
(5)
VmIm adalah daya maksimum sel.
Efisiensi konversi pada sel surya (η)
didefinisikan sebagai perbandingan daya
output maksimum yang dihasilkan terhadap
daya total intensitas cahaya yang diterima
(PIn).
(6)
Efisiensi % = Pmax/Pin x 100
(7)
Arus sirkuit singkat (Isc) dicapai jika sel
surya dihubung singkat, pada kondisi ini
tidak ada potensial yang melintasi sel. Lebih
jelasnya arus sirkuit singkat sama dengan
jumlah foton absolute yang terkonversi
menjadi pasangan electron – hole4.
Sedangkan potensial sirkuit terbuka (Voc)
adalah potensial yang dicapai saat tidak ada
arus yang mengalir dari sel surya.
Sel Surya Hybrid
Pengangkutan
muatan
pada
semikonduktor organik bergantung pada
kemampuan pembawa muatan untuk
melintas dari satu molekul ke molekul lain.
Loncatan muatan pembawa dari satu
molekul ke molekul lain ditentukan oleh
celah energi antara tingkat energi HOMO
(high occupied molecule orbital) dan LUMO
(lowest unoccupied molecule orbital). Bahan
semikonduktor organik yang digunakan
sebagai lapisan aktif sel surya dapat
berbentuk molekul atau polimer conjugate.
Untuk menemukan sel surya organik
dengan efisiensi tinggi adalah dengan
menciptakan sel surya heterojunction,
material organik menerima elektron dan hole
yang lebih banyak jika dibandingkan piranti
tunggal saja yang menunjukkkan nilai
efisiensi yang lebih baik. Dengan
menggunakan
heterojunction,
excitons
(ikatan pasangan electron-hole) yang
mengalami fotogenerasi pada polimer dapat
secara efisien dipisahkan menjadi pembawa
muatan pada interface, sedangkan pada
piranti tunggal banyak elektron yang
mengalami rekombinasi dalam waktu
singkat. Pemisahan muatan terjadi pada
interface antara molekul donor dan
acceptor, yang dimediasi oleh penurunan
potensial yang besar. Setelah terjadi foto-
eksitasi elektron dari HOMO ke LUMO,
elektron dapat melompat dari LUMO donor
(bahan dengan LUMO yang tinggi) ke
LUMO acceptor jika terdapat perbedaan
potensial ΔΦ antara potensial ionisasi donor
dan afinitas elektron acceptor yang lebih
besar dari energi ikat excitons. Proses ini
disebut sebagai pemindahan muatan
terfotoinduksi,
dapat
mempermudah
mobilitas muatan bebas jika hole tertinggal
pada donor karena tingkat HOMOnya yang
lebih besar. Sebaliknya, jika HOMO
acceptor lebih besar, pemindahan excitons
sepenuhnya terjadi pada bahan dengan
bandgap kecil yang disertai dengan
kehilangan energi.
Pemisahan excitons yang efisien pada
heterojunction, bahan donor dan acceptor
sangat berhubungan. Skala jarak optimum
berhubungan dengan panjang difusi
excitons. Selain itu, ketebalan lapisan aktif
harus sebanding dengan panjang penetrasi
cahaya yang pada semikonduktor organik,
nilainya berkisar antara 80–200 nm19.
Bahan organik yang dikonjugasikan
dengan polimer menujukkan suatu sifat
fotoelektronik semikonduktor seperti sifat
mekanik dan manfaat yang diharapkan pada
bahan polimer. Kajian tentang sel surya
hybrid organik-inorganik heterojunction
diawali dengan fotovoltaik organik berbasis
molekul-molekul kecil, kemudian diikuti
oleh sel fotovoltaik berbasis polimer. Pada
penelitian sebelumnya cara membuat sel
surya hybrid yaitu dengan menyambungkan
CdS dengan polimer poly(3-octylthiophene)
(P3OT) yang merupakan turunan dari
polythiophene dan diperoleh efisiensi
konversi sebesar 0,015 % dengan intensitas
penyinaran 100 mW/cm2. Dari penelitian ini
diperoleh rapat arus short-circuit yang kecil
yang diakibatkan oleh P3OT yang tebal dan
mobilitas pembawa muatannya yang rendah.
Ketebalan lapisan P3OT ternyata sangat
mempengaruhi besarnya ISC dan VOC.
Cadmium Sulfide (CdS)
Cadmium Sulfide (CdS) merupakan
semikonduktor dalam kelompok senyawa
golongan II-IV dengan struktur kristal zinc
blended dan wurtzite. Seperti pada bahan
semikonduktor dalam kelompok senyawasenyawa yang lain, maka senyawa II-IV
yakni CdS memiliki sifat optik dan listrik
yang cocok untuk aplikasi sel surya.
CdS memiliki koefisien absorpsi yang
tinggi sehingga sebagian besar cahaya dapat
diabsorpsi pada CdS dalam bentuk lapisan
5
6
tipis sehingga sangat efektif untuk sel surya
lapisan tipis. CdS memiliki lebar celah pita
(bandgap) antara 2 sampai 3 eV serta
memiliki jenis celah pita semikonduktor
direct bandgap pada n=½ (untuk indirect,
n=2). CdS juga memiliki fotokonduktivitas
yang tinggi sehingga sangat cocok untuk
bahan piranti fotodetektor.
Secara umum, CdS memiliki dua fase
kristal yaitu fase kubik yang merupakan fase
metastabil dan fase heksagonal yang
merupakan fase yang stabil pada suhu ruang.
Selain itu dalam beberapa literatur
menunjukkan struktur CdS yang lainnya
Proses annealing
yaitu orthorombik10.
secara khusus dapat mengubah fase CdS dari
kubik menjadi heksagonal. Jika film
dipanasi pada suhu di atas 300 oC, maka fase
CdS akan mengalami transisi fase dari fase
kubik menjadi fase heksagonal. Tidak semua
fase kubik berubah menjadi fase heksagonal
tetapi hanya sebagian saja11.
Lapisan tipis CdS memiliki struktur
polikristal
yang
dideposisi
dengan
menggunakan cadmium chloride (CdCl2 . ½
H2O), thiourea, triethanolamine (TEA) yang
dipanaskan pada suhur 70oC5. Lapisan tipis
CdS berwarna jingga kekuning-kuningan.
Reaksi kimia untuk menghasilkan lapisan
tipis CdS yaitu dengan menggunakan TEA
kompleks seperti persamaan kimia sebagai
berikut :
[Cd(TEA)+2] + (NH2)2CS + 2 O
CdS + TEA + (NH2)2CO + H2O
Senyawa yang menghasilkan ion Cd2+
berasal dari Cd(TEA)+2 dan ion S2- berasal
dari senyawa (NH2)CS. Hasil reaksi tersebut
menghasilkan senyawa CdS sebagai hasil
utama. TEA dan H2O sebagai senyawa
tambahan.
Polythiophene
Polimer thiophene relatif stabil di udara
bebas maupun di lingkungan air dan
memiliki mobilitas hole yang tinggi6.
Polythiophene dapat dibuat dari monomer 3methylthiophene secara klasik maupun
elektrokimia. Thiophene merupakan salah
satu polimer konduktif jenis aromatik
heterocylic yang hampir mirip dengan
pyrrole. Rumus kimianya adalah C4H4S.
Sulfur disini merupakan heteroatom.
Polimer poly(3-hexylthiophene) merupakan
turunan dari polythiophene. Struktur polimer
poly(3- hexylthiophene) ditunjukkan pada
Gambar 10.
P3HT
Gambar 10 Struktur polimer poly3heksilthiophene7
Poly(3-hexylthiophene)
(P3HT)
memiliki berat molekul 65,5 gram/mol
merupakan semikonduktor organik tipe-p
yang mendapat perhatian sangat besar saat
ini karena polimer ini memiliki mobilitas
hole yang tinggi jika digunakan sebagai
material semikonduktor. Mobilitas hole
P3HT sebesar 3.8 ‫ ׽‬3.9 x 10-4 cm2/Vs8.
Penggunaan material ini juga sangat
sederhana, mudah dilarutkan dan konduktif.
Oleh karena itu, P3HT dapat digunakan pada
banyak aplikasi. Selain itu polimer ini relatif
stabil terhadap perubahan suhu dan kondisi
lingkungan. Penggunaan polimer juga dapat
mengatasi masalah pada semikonduktor
inorganik yang efektibilitas dan stabilitasnya
yang rendah. Polimer organik memiliki gap
yang lebih lebar dibandingkan dengan
semikonduktor. Hal ini merupakan hal yang
sangat mendukung untuk digunakan sebagai
aplikasi sel surya.
Kitosan
Kitosan merupakan bahan dasar
polielektrolit yang mengandung gugus
amina dan gugus hidroksil, yang banyak
digunakan sebagai bahan molekul transport
aktif suatu anion dalam larutan. Kitosan
memiliki
sifat
mudah
terdegradasi,
biocompatible dan tidak beracun. Sifat-sifat
kitosan dihubungkan dengan adanya gugus
amina dan karboksil yang terikat. Adanya
gugus tersebut mengakibatkan kitosan
mempunyai reaktivitas kimia yang baik dan
penyumbang sifat elektrolit kation sehingga
dapat berperan sebagai amino exchange.
Gambar 11 menunjukkan struktur kitosan.
6
7
Gambar 11 Struktur kitosan9.
dimasukkan ke dalam gelas lebih besar yang
diisi air. Sebelumnya, pada dinding sebelah
dalam gelas kecil ditempel beberapa substrat
kaca dengan ukuran yang telah ditentukan.
Selanjutnya, kedua gelas diletakkan di atas
pemanas (hot plate) yang dilengkapi
pengaduk magnetik (magnetic stirrer).
BAHAN DAN METODE
Termometer
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan
Agustus 2010 - September 2011 di
Laboratorium Biofisika dan Laboratorium
Fisika Lanjut, Departemen Fisika IPB.
Karakterisasi XRD dilakukan di Litbang
Hasil Hutan, Departemen Kehutanan, Bogor.
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian
ini adalah hot plate, magnetic stirrer,
pengaduk, pipet, tabung reaksi, gelas kimia,
furnace, spektrofotometer UV-Vis, Interface
scientific
workshop
750
(PASCO),
Radiometer, gelas ukur dan neraca analitik
sedangkan bahan yang digunakan adalah
kaca ITO (indium tin oxide), cadmium
klorida (CdCl2), thiourea (H2NCSNH2),
TEA(triethanolamine),
polietilenglikol
(PEG), asam borat (H3BO3), kitosan, poly3heksiltiophene (P3HT), amonium hidroksida
(NH4OH), asam asetat, dan akuades.
Metode Pembuatan dan Karakterisasi
Pembuatan lapisan CdS
Lapisan CdS dibuat dengan metode
CBD (chemical bath deposition) pada
substrat kaca ITO. Dengan metode ini, film
terdeposisi
pada
substrat
dengan
mencelupkan substrat ke dalam larutan yang
mengandung ion-ion Cd2+ dan ion-ion
sulfida S2- sambil dipanaskan serta diaduk.
Bahan-bahan yang digunakan adalah
CdCl2 sebagai sumber ion kadmuim (Cd2+),
thiourea sebagai sumber ion sulfur (S2-),
larutan amonia sebagai agen pengkompleks
(complexing agent), air destilasi dan TEA
sebagai stabilizer agar larutan tidak cepat
mengendap.
Skema metode CBD ditunjukkan pada
Gambar 12, terdiri dari dua gelas piala
dengan ukuran berbeda. Salah satunya
berukuran kecil sehingga dapat dimasukkan
ke dalam gelas yang lebih besar. Gelas yang
kecil diisi larutan deposisi, kemudian
Air
Larutan
deposisi
Substrat
Stirrer
Hotplate
Gambar 12 Skema deposisi CBD
Mula-mula dibuat larutan campuran 20
ml CdCl2 (0,1 M) dengan 20 ml Thiourea (1
M) di dalam gelas piala 100 ml. Larutan
tersebut diletakkan di atas hot plate
dipanaskan pada suhu 30o C dan diputar
pada kelajuan 300 rpm selama 30 menit.
Sebanyak 10 mL NH4OH (0.1 M) dan 5 ml
TEA ditambahkan ke dalam larutan
campuran tersebut. Larutan campuran
tersebut dipanaskan pada suhu 70 oC dan
diputar pada kelajuan 300 rpm selama 2 jam.
Optimasi suhu dan waktu perlu dilakukan
untuk mengatur morfologi, struktur, sifat
dan ketebalan lapisan yang dihasilkan.
Selanjutnya dilakukan annealing terhadap
beberapa sampel film tipis CdS pada suhu
200 oC selama 1 jam.
Karakterisasi lapisan CdS
Sampel-sampel lapisan CdS yang
berhasil ditumbuhkan dengan metode CBD
selanjutnya dikarakterisasi dengan XRD dan
spektroskopi UV-Vis. Karakterisasi XRD
dilakukan untuk mengetahui struktur kristal
CdS dan memastikan CdS telah tumbuh
pada substrat. Pola-pola difraksi berupa
puncak-puncak karakteristik orientasi kristal
7