JURNAL APLIKASI FISIKA VOLUME 7 NOMOR 2 AGUSTUS

JURNAL APLIKASI FISIKA
VOLUME 7 NOMOR 2
AGUSTUS 2011
Penumbuhan Lapisan Tipis CdO dengan Teknik Imersi Kimia
Untuk Aplikasi Sel Surya
Amiruddin1), Ida Usman2), dan Muliati Dula2)
1) Jurusan Kimia FMIPA Universitas Haluoleo
2) Jurusan Fisika FMIPA Universitas Haluoleo
Kampus Bumi Tridharma, Anduonohu, Kendari
E-mail: [email protected]; [email protected]
Abstrak
Telah dilakukan penelitian penumbuhan lapisan tipis CdO dengan teknik imersi kimia. Proses
penumbuhan dilakukan dengan mengimersi substrat gelas secara bergantian ke dalam larutan cadmium
acetate dihydrate (Cd(CH3COOH)2.2H2O) dan larutan natrium hydroxide (NaOH). Konsentrasi larutan
dibuat bervariasi untuk melihat pengaruh rasio konsentrasi kedua larutan terhadap karakteristik lapisan
CdO yang dihasilkan. Untuk memperkuat ikatan antar atom dan melepaskan kandungan air yang tersisa,
lapisan CdO kering dipanaskan pada temperatur 225 oC. Dari hasil pengukuran SEM-EDX terlihat bahwa
prosentasi massa Cd dalam lapisan secara kuantitatif sangat bergantung pada konsentrasi larutan cadmium
acetate dihydrate. Demikian halnya dengan hasil penentuan celah pita optiknya bahwa peningkatan rasio
kandungan Cd terhadap kandungan O dalam lapisan CdO memperlihatkan kecenderungan hubungan yang
linier terhadap penyempitan celah pita optiknya. Dari hasil pengukuran konduktivitas, semua lapisan CdO
yang diperoleh dapat dikategorikan sebagai material semikonduktor dengan nilai konduktivitas tertinggi
diperoleh dari lapisan yang dibuat sebanyak 10 kali imersi dengan pasangan larutan cadmium acetate
dihydrate dan natrium hydroxide pada konsentrasi 0.2M:0.2M.
Kata kunci: lapisan tipis CdO, teknik imersi kimia
untuk mengkaji lebih jauh material ini
sehingga limbahnya dapat menjadi lebih ramah
lingkungan. Oksida cadmium (CdO) misalnya
sudah lebih ramah lingkungan karena
dihasilkan dari proses oksidasi Cd seperti
pembakaran.
Selain
melalui
proses
pembakaran, material CdO dapat disintesa di
laboratorium menggunakan larutan-larutan
kimia atau metode-metode tertentu seperti
teknik chemical bath deposition [2] ataupun
teknik evaporasi reaktif teraktivasi [3,4].
Dalam penelitian ini, material CdO akan
ditumbuhkan menggunakan teknik imersi
kimia atau yang lazim dikenal sebagai
chemical deposition menggunakan larutan
cadmium acetate (Cd(CH3COO)2) dan sodium
hydroxide (NaOH). Teknik imersi kimia
merupakan teknik yang sangat sederhana
karena penumbuhan material dengan teknik ini
mudah dilakukan dan tidak memerlukan
ruangan khusus sebagaimana yang digunakan
dalam teknik penumbuhan lainnya.
1. Pendahuluan
Cadmium (Cd) merupakan jenis
material yang memiliki cakupan aplikasi
penggunaan yang cukup luas, baik dalam
bidang
elektronika,
industri,
maupun
kesehatan. Oleh karena itu, kajian tentang
pengaplikasian material ini masih menarik
perhatian banyak peneliti di seluruh dunia,
baik kajian secara teori maupun kajian secara
eksperimen. Kajian tentang material paduan
CdS/CdTe untuk aplikasi sel surya misalnya
secara teori dapat dihasilkan sel surya dengan
efisiensi >28%, namun secara eksperimen baru
mencapai efisiensi ~16% menggunakan teknik
spray pyrolisis dan elektrokimia [1].
Meskipun efisiensi konversi sel surya
berbasis CdS/CdTe pada dasarnya lebih baik
dibanding sel surya berbasis silikon, namun
penggunaan CdS saat ini sudah mulai dibatasi
karena efek negatif terhadap lingkungan mirip
dengan efek yang ditimbulkan oleh merkuri.
Oleh karena itu, sejumlah peneliti tertarik
84
Penumbuhan Lapisan Tipis CdO dengan Teknik Imersi Kimia........ (Amiruddin,dkk)
2. Eksperimen
Dalam penelitian ini, lapisan CdO
ditumbuhkan dengan mengimersi substrat
gelas secara bergantian ke dalam larutan
cadmium
acetate
dihydrate
(Cd(CH3COOH)2.2H2O) dan larutan natrium
hydroxide (NaOH). Konsentrasi larutan dibuat
bervariasi untuk melihat pengaruh rasio
konsentrasi
kedua
larutan
terhadap
karakteristik lapisan CdO yang dihasilkan.
Larutan cadmium acetate dihydrate dibuat
dengan konsentrasi 0,05M, 0,1M, dan 0,2M
sedangkan larutan natrium hydroxide dibuat
dengan konsentrasi 0,1M, 0,2M, dan 0,3M.
Proses imersi dilakukan dengan terlebihdahulu
memilih pasangan larutan dengan variasi
konsentrasi
yang
diinginkan.
Untuk
memperkuat ikatan antar atom dan melepaskan
kandungan air yang tersisa, lapisan CdO
kering dipanaskan pada temperatur 225 oC.
Sifat-sifat lapisan CdO yang dihasilkan
kemudian dipelajari melalui hasil pengukuran
SEM-EDX (Scanning Electron Microscope –
Energy Dispersive X-ray) untuk analisa
struktur, pengukuran UV-Vis (Ultraviolet
Visible) untuk analisa sifat optik, dan
pengukuran konduktivitas untuk analisa sifat
listrik.
Selain variasi konsentrasi larutan, sifat
CdO juga dipelajari melalui ketebalannya,
yang ditentukan sesuai frekuensi proses imersi
masing-masing sampel yaitu sebanyak 5 kali,
10 kali, dan 15 kali imersi.
3. Hasil dan Pembahasan
Teknik imersi atau teknik pencelupan
merupakan salah satu metode pembuatan
lapisan tipis dengan menggunakan bahan
kimia cair/larutan. Pasangan larutan cadmium
acetate dihydrate dan natrium hydroxide yang
dipilih masing-masing adalah (0,05M:0,1M),
(0,05M:0,2M), (0,05M:0,3M), (0,1M:0,1M),
(0,1M:0,2M), (0,1M:0,3M), (0,2M:0,1M),
(0,2M:0,2M), dan (0,2M:0,3M). Proses imersi
dilakukan secara bergantian ke dalam masingmasing larutan dengan variasi 5 kali, 10 kali,
dan 15 kali imersi. Melalui mekanisme reaksi
reduksi-oksidasi, proses reaksi yang terjadi
pada cadmium acetate dihydrate adalah:
Cd (CH 3COO ) 2
H 2O
Cd 2
85
CH 3COO
H 2O
(1)
dan proses reaksi yang terjadi pada natrium
hidroksida adalah:
NaOH
H 2O
Na
OH
H 2O
(2)
Saat proses imersi bergantian dalam kedua
larutan, terjadi reaksi:
Cd 2
2OH
Cd(OH)2
Cd (OH ) 2
Cd
CdO H 2O
(3a)
(3b)
Dengan proses pemanasan temperatur 225 oC,
H2O akan menguap sehingga pada substrat
tertinggal lapisan CdO.
(a)
(b)
Gambar 1. (a) Proses pembuatan larutan, (b)
Lapisan CdO yang dihasilkan
Gambar 2 memperlihatkan hasil
pengukuran SEM-EDX lapisan CdO yang
dihasilkan. Terlihat bahwa struktur CdO
terbentuk dengan baik, dengan prosentasi
massa Cd mencapai ~58% pada Gambar 2(a)
dan ~70% pada Gambar 2(b). Dapat
dimaklumi bahwa perbedaan tersebut akibat
konsentrasi larutan cadmium acetate dihydrate
lebih tinggi pada sampel Gambar 2(b)
dibanding Gambar 2(a).
Tabel 1 memperlihatkan hasil penentuan
celah pita optik (optical bandgap) lapisan CdO
untuk masing-masing variasi konsentrasi dan
frekuensi imersi dengan metoda Tauc plot dari
data pengukuran UV-Vis. Terlihat bahwa celah
pita optik yang diperoleh masing-masing
sampel berbeda-beda. Berdasarkan nilai celah
pita optik, kecenderungannya adalah bahwa
semakin besar kosentrasi atom Cd dalam
86
JAF, Vol. 7 No. 2 (2011), 84-87
lapisan CdO maka celah pita optiknya semakin
sempit, bertentangan dengan konsentrasi atom
O dalam lapisan CdO.
Tabel
2
memperlihatkan
hasil
pengukuran
konduktivitas
gelap
dan
fotokonduktivitas
lapisan
CdO
yang
dihasilkan.
Terlihat bahwa sampel nilai
konduktivitas hampir semua yang dihasilkan
meningkat seiring dengan meningkatnya
kosentrasi Cd(CH3COO). Meskipun demikian,
beberapa sampel yang walaupun kosentrasi
Cd(CH3COO) besar namun memiliki nilai
konduktivitas yang kecil. Hal ini karena
jumlah atom O yang terikat dalam lapisan
masih lebih tinggi dibanding atom Cd.
Tabel 2. Hasil pengukuran konduktivitas lapisan
CdO (dalam Ω-1m-1)
Gambar 2. Hasil pengukuran SEM-EDX lapisan
CdO yang diperoleh selama 15 kali imersi dengan
rasio konsentrasi Cd(CH3COO)2.2H2O) terhadap
NaOH: (a) 0,05M:0,1M, (b) 0,1M:0,1M
Tabel 1. Hasil penentuan celah pita optik CdO
(dalam eV)
0,05M:0,1M
0,05M:0,2M
0,05M:0,3M
0,1M:0,1M
0,1M:0,2M
0,1M:0,3M
0,2M:0,1M
0,2M:0,2M
0,2M:0,3M
5 kali
imersi
1,05
1,19
0,72
1,12
0,8
1,1
1,1
0,8
0,78
10 kali
imersi
0,26
0,16
0,15
1,04
0,8
1,1
1,11
1,1
0,84
15 kali
imersi
0,2
0,15
0,07
0,84
0,5
1,1
0,73
1,1
0,57
Dapat dilihat pula bahwa beberapa sampel
dimana kosentrasi larutan cadmium acetate
dihydrate yang digunakan lebih tinggi dari
yang lainnya, namun celah pita optiknya justru
lebih lebar. Hal ini diduga akibat jumlah atom
O yang terikat dalam lapisan lebih banyak
dibanding atom Cd pada kosentrasi tersebut.
0,05M:0,1M
0,05M:0,2M
0,05M:0,3M
0,1M:0,1M
0,1M:0,2M
0,1M:0,3M
0,2M:0,1M
0,2M:0,2M
0,2M:0,3M
5 kali
imersi
10 kali
imersi
15 kali
imersi
1,2x10-3
1,2x10-5
2,7x10-2
1,1 x10-2
1,1x10-1
1,3x10-3
6,1 x10-3
9,4x10-2
5,6x10-3
1,2x10-3
4,6x10-6
1,1x10-5
1,4x10-6
2,4x10-3
2,9x10-2
1,2x10-6
1,4x10-6
4,6x10-6
1,2x10-5
2,4x10-3
7,1x10-4
4,2x10-2
2,5x10-3
4,2x10-4
1,9x10-3
6,7x10-1
8,9x10-4
Seperti diketahui bahwa Cd merupakan unsur
logam golongan IIB. Berdasarkan nilai
konduktivitasnya dapat dilihat bahwa semakin
tinggi kandungan Cd dalam lapisan CdO maka
konduktivitasnya akan semakin besar pula.
4. Kesimpulan
Dari hasil penelitian ini dapat
disimpulkan bahwa lapisan CdO dapat
ditumbuhkan dengan baik melalui teknik
imersi kimia. Dapat dilihat dari hasil
pengukuran SEM-EDX bahwa struktur lapisan
terbentuk baik dengan prosentasi massa Cd
dalam lapisan secara kuantitatif bergantung
pada konsentrasi larutan cadmium acetate
dihydrate yang digunakan. Demikian halnya
dengan hasil penentuan celah pita optiknya
bahwa peningkatan rasio kandungan Cd
terhadap kandungan O dalam lapisan CdO
memperlihatkan mempengaruhi penyempitan
celah pita optiknya. Berdasarkan hasil
Penumbuhan Lapisan Tipis CdO dengan Teknik Imersi Kimia........ (Amiruddin,dkk)
pengukuran konduktivitas, semua lapisan CdO
yang diperoleh dapat dikategorikan sebagai
material
semikonduktor
dengan
nilai
konduktivitas tertinggi diperoleh dari lapisan
yang dibuat sebanyak 10 kali imersi dengan
pasangan larutan cadmium acetate dihydrate
dan natrium hydroxide pada konsentrasi
0,2M:0,2M.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada
DP2M Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi
Republik Indonesia atas bantuan dana pelaksanaan
penelitian ini melalui Program Hibah Bersaing
Tahun 2011.
87
Referensi
[1] R.K. Sharma, K. Jain, dan A.C. Rastogi,
Growth of CdS and CdTe Thin Films for the
Fabrication of n-CdS/p-CdTe Solar Cell,
Current Applied Physics, 3 (2003), 199.
[2] M. Ocampo, A.M. Fernandez, dan P.J.
Sebastian, Transparent Conducting CdO Films
Formed by Chemical Bath Deposition,
Semiconductor Science Technology, 8 (1993),
750.
[3] G. Phata dan R. Lal, Structural and Electrical
Properties of Cadmium Oxide Films Deposited
by the Activated Reactive Evaporation, Thin
Solid Films, 209 (1992), 240.
[4] C. Sravani, K.T.R. Reddy, dan P.J. Reddy,
Influence of Oxygen Partial Pressure on the
Physical Behaviour of CdO Films Prepared by
Activated Reactive Evaporation, Material
Letter, 15 (1993), 356.