pengaruh temperatur dan waktu anil terhadap struktur dan

PENGARUH TEMPERATUR DAN WAKTU ANIL TERHADAP STRUKTUR DAN SIFAT OPTIS LAPISAN TIPIS Cu2ZnSnS4 (CZTS)

MENGGUNAKAN METODE SUCCESSIVE IONIC LAYER ADSORPTION AND REACTION (SILAR) DENGAN JUMLAH 40 SIKLUS

Eva Ulisiana, Badrul Munir

1. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Depok, 16424, Indonesia

2. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Depok, 16424, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstrak

Pengembangan pembuatan lapisan tipis Cu2ZnSnS4 dengan metode SILAR menjadi perhatian penelitian kini untuk menciptakan sel surya berbasis lapisan tipis yang terjangkau dan efisien. Proses anil dengan sulfur yang dilakukan pada lapisan tipis CZTS dapat memperbaiki sifat-sifat pada lapisannya. Temperatur dan waktu anil merupakan parameter utama dalam proses anil pada lapisan tipis CZTS. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur dan waktu anil terhadap sifat optis berupa nilai energi celah pada lapisan tipis CZTS dengan jumlah siklus pencelupan yang sudah ditentukan yaitu sebanyak 40 siklus. Variabel temperatur anil adalah 250oC, 300oC, 350oC dan 400oC. Sedangkan variabel waktu anil adalah ½ jam dan 1 jam. proses anil yang dilakukan menggunakan sulfur padatan. Pengaruh temperatur dan waktu anil pada sifat morfologi, optikal dan struktural telah diuji. Nilai energi celah yang dihasilkan bervariasi bergantung pada temperatur dan waktu anil. Hasil pengujian XRD pada semua sampel, ditemukan fasa CZTS dengan puncak difraksi yang memiliki intensitas yang rendah. Topografi permukaan yang dihasilkan menunjukkan penampakan retakan dan juga kemungkinan fasa kedua CuxS.

The Effect of Annealing Temperature and Time on Cu2ZnSnS4 (CZTS) Thin Film’s

Structural and Optical Properties Using Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction

(SILAR) Method By The Number of 40 Cycles

Abstract

Development of Cu2ZnSnS4 thin films fabrication with Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) method has become a concern to produce low cost and efficient based thin film solar cells. Anneling process in sulfur condition was done on CZTS thin films to improve its properties. Annealing temperature and time are the main parameter for anneling process on CZTS thin films. This study aims to know the effect of annealing temperature and time on CZTS optical property with 40 immersion cycles. Annealing temperature variables are 250oC, 300oC, 350oC, and 400oC. While the annealing time variables are ½ hour and 1 hour. Annealing process is performed using solid sulfur. The effect of annealing temperature and time on morphology, optical and structural properties were examined. The resulting band gap energy varies which depends on annealing temperature and time.

Pengaruh temperatur…, Eva Ulisiana, FT UI, 2014

The XRD results on every samples was found CZTS phase with diffraction peak which has low intensity. Surface topography shows the presence of cracks and possibility of CuxS second phases. Keywords: Semiconductor, CZTS, thin films, SILAR, band gap, annealing temperature, annealing time

1. Pendahuluan Isu pemenuhan energi pada berbagai sektor kehidupan menjadi isu yang di sorot di

berbagai negara. Saat ini, laju pemakaian energi di dunia bernilai 4.7 x 1020 J/tahun[1]. Di

Indonesia, penyediaan bahan baku sumber daya yang terbarukan maupun yang tidak terbarukan

melimpah di berbagai daerah. Akan tetapi, eksplorasi akan sumber daya yang tidak terbarukan

lebih banyak dibandingkan lainnya. Menurut Kementrian Energi dan Sumberdaya Mineral pada

tahun 2009, menyatakan bahwa cadangan energi minyak mentah akan habis dalam waktu 22.99

tahun, untuk gas selama 58.95 tahun, dan untuk batubara selama 82.01 tahun[2]. Dasar dari

prediksi waktu ini didasarkan apabila tidak ditemukannya ladang-ladang yang baru. Salah satu

pengembangan teknologi yang digalakkan yaitu, teknologi sel surya atau solar cell.

Sel surya merupakan dioda semikonduktor yang dapat mengubah energi yang berasal dari

cahaya matahari menjadi energi listrik. Perkembangan akan teknologi sel surya telah berjalan

lebih dari 50 tahun lamanya. Perkembangan sel surya sepanjang 50 tahun, teknologi dan efisiensi

pada sel surya selalu di kembangkan. Dalam perkembangannya, sel surya mempunyai tiga

generasi[3]. Generasi pertama, sel surya terbuat dari silikon kristalin. Generasi kedua, sel surya

terbuat dari lapisan tipis (thin film) yang digolongkan menjadi silikon film tipis, Cadmium

tellurium (CdTe), Copper Indium, Galium Dislenide (CIGS), dan Penyerap Tipis Ekstrem (ETA).

Generasi terakhir, sel surya molekular, salah satu contohnya adalah Dye Sensitized Solar Cell.

Penelitian mengenai lapisan tipis CZTS sebagai salah satu komponen sel surya dimana

bertindak sebagai absorber telah banyak dilakukan. CZTS atau Cu2ZnSnS4 merupakan salah satu

jenis lapisan tipis quaternary (quaternary thin film) yang pembuatannya murah karena logam nya

bukan termasuk yang sulit di dapatkan. Ketersediaan Cu, Zn, Sn dan S di kerak bumi adalah 50

ppm, 75 ppm, 2.2 ppm dan 260 ppm[4]. Hal ini berbeda dengan lapisan tipis CIGS yang

sebelumnya banyak mendapat perhatian hampir lebih dari 25 tahun pengembangannya, dimana

efisiensi nya mencapai 20.3%[4]. Akan tetapi, ketersediaan salah satu elemennya, yaitu Indium,

hanya berjumlah 0.049 ppm[4]. Oleh karena itu, pengembangan mengenai lapisan tipis CZTS


mulai dilakukan, karena dari sisi ketersediaan logamnya yang melimpah. Selain itu pula, lapisan

ini bersifat non toxic dan murah.

Berbagai metode pembuatan lapisan tipis CZTS baik dengan metode fisis maupun

kimiawi telah di lakukan. Salah satu metode deposisi nya adalah metode SILAR. SILAR atau

Succesive Ionic Layer Absorption and Reaction merupakan salah saltu metode dari CBD

(Chemical Bath Deposition). SILAR merupakan metode terbaru dari metode CBD. Metode ini

mudah dilakukan dan memerlukan biaya yang tidak terlalu banyak. Perbedaan SILAR dengan

metode CBD lainnya adalah mode pertumbuhan lapisan yang terjadi. Pada semua CBD, semua

prekursor terdapat pada satu beaker reaksi, sedangkan pada SILAR, substrat yang ada dicuci

secara terpisah pada setiap prekursor dan ini termasuk pula mencelupkan substrat di antara

prekursor. Maka, poin-poin yang menentukan deposisi lapisan tipis pada metode ini adalah

konsentrasi molar, waktu deposisi dan banyaknya jumlah siklus deposisi. Selain itu, perlakuan

panas hasil deposisi lapisan tipis CZTS perlu dilakukan. Hal ini bertujuan untuk memperbaiki

sifat CZTS. Hasil deposisi CZTS dengan metode SILAR dapat mengandung cacat seperti void.

Untuk mengurangi hal tersebut, maka dibutuhkan perlakuan panas. Perlakuan panas pada lapisan

tipis CZTS juga dapat memperbaiki sifat kristalinitas yang nantinya memperbaiki sifat lapisan

CZTS yaitu salah satu nya nilai celah pita optis lapisan tipis CZTS[5]. Oleh karena itu, penulis

melakukan penelitian terhadap pengaruh perlakuan panas terhadap sifat optis lapisan tipis CZTS

dimana variabel penelitiannya adalah nilai temperatur dan waktu anil.

2. Tinjauan Teoritis 2.1 Semikonduktor CZTS Sebagai Aplikasi Sel Surya Berbasis Lapisan Tipis

Cu2ZnSnS4 atau CZTS merupakan senyawa lapisan tipis yang dalam perkembangan

penggunaannya digunakan sebagai material absorban pada sel surya. Perkembangan lapisan tipis

CZTS ini baru mendapat perhatian ketika lapisan tipis CIS (CuInSe2), CIGS (CuIn1-xGaxSe2) dan

CIGSS (Cu(In,Ga)(S,Se)) telah digunakan. Lapisan CZTS pada sel surya menyerap cahaya dan

mengkonversikan energi elektromagnetik cahaya menjadi energi dari pasangan elektron-hole.

CZTS dipercaya memiliki sifat optikal yang menjanjikan. Ini terbukti karena sebagai

semikonduktor dengan celah pita yang langsung, maka CZTS memiliki koefisien absorbsi yang

tinggi dimana lebih dari 104 cm-1. Sehingga dengan tebal lapisan yang tipis sekitar 1-2µm, dapat


menyerap lebih dari 90% foton pada spektrum dengan energi foton yang lebih tinggi

dibandingkan dengan celah pita[4].

2.2 Metode SILAR

Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) merupakan metode paling

terbaru dari metode CBD (Chemical Bath Deposition). Perbedaan SILAR dengan metode CBD

lainnya adalah mode pertumbuhan lapisan yang terjadi. Pada semua CBD, semua prekursor

terdapat pada satu beaker reaksi, sedangkan pada SILAR, substrat yang ada dicuci secara terpisah

pada setiap prekursornya dan ini termasuk pula mencelupkan substrat di antara prekursor.

Pembentukan lapisan tipis pada metode SILAR secara umum adalah terjadi absorbsi,

reaksi ion pada larutan dan rinsing antara tiap pencelupan substrat ke dalam aquabides. Pada

tahap absorbsi, terjadi kation pada permukaan substrat di prekursor kationik. Absorbsi terjadi

karena adanya gaya tarik menarik antara ion pada larutan dengan permukaan substrat.Tahap

reaksi terjadi reaksi antara ion kation dengan ion anion. Tujuan dilakukannya rinsing antara

pencelupa substrat adalah untuk untuk menghindari adanya presipitat yang homogen pada

larutan. Berikut ini merupakan gambar skema tahapan reaksi yang terjadi selama pencelupan:

Gambar 2. 1. Ilustrasi pembentukan lapisan tipis CZTS dengan metode SILAR : (1) Absorbsi; (2) Rinsing I; (3) Reaksi;

(4) Rinsing II[19]

2.3. Pengaruh Perlakuan Anil pada Lapisan Tipis CZTS

Deposisi lapisan tipis CZTS yang terbentuk melalui metode SILAR, dimungkinkan

terdapatnya cacat seperti void dan pinholes. Selain itu, kristalinitas dari lapisan tipis CZTS yang

baru terdeposisi dimungkinkan juga tidak begitu baik. Oleh karena itu, dibutuhkannya perlakuan


panas pada lapisan tipis CZTS, yaitu dilakukannya proses anil. Penelitian yang di lakukan oleh

Scragg dkk[13] terbukti menghasilkan efisiensi sebesar 3.2% ketika dilakukan proses anil pada

lapisan tipis CZTS dengan atmosfer sulfur. Menurut penelitian Shinde dkk[5], anil udara yang

dilakukan pada lapisan tipis CZTS dengan metode SILAR terbukti bahwa pada lapisan tipisnya,

berkurang cacat yang ada dan meningkatkan ukuran kristal yang berpengaruh pada perbaikan

efisiensi dari sel surya. Efisiensi dari lapisan tipis yang polikristalin akan meningkat apabila

terjadi peningkatan pada ukuran butir pada lapisan absorber, sehingga morfologi dari lapisan

absorber bergantung pada metode preparasi dan perlakuan postannealing.

3. Metodologi Penelitian Substrat yang digunakan sebagai tempat deposisi lapisan tipis CZTS dalam penelitian ini

adalah stainless steel tipe 304 yang berbentuk plat yang dipotong dengan 4x7 cm. Pada salah satu

sisi nya, ditempeli penuh oleh isolasi dengan tujuan untuk meneliti pada salah satu sisi yang

lainnya saja. Pencelupan dengan metode SILAR yang dilakukan bersifat manual menggunakan

beaker glass dengan susunan sebagai berikut: Tabel 3.1. Tahapan proses pencelupan metode SILAR

Beaker glass Larutan Waktu Pencelupan

1 CuSO4 30mL

40 detik ZnSO4 30mL SnSO4 30 mL

2 Aquabides 90 mL 30 detik 3 Na2S 90 mL 40 detik 4 Aquabides 90 mL 30 detik

Satu siklus dilakukan apabila telah melalui keempat tahapan sesuai dengan Tabel 3.1 yang

diperjelas dengan skema pada Gambar 3.1. Siklus pencelupan yang ditetapkan pada penelitian ini

adalah sebanyak 40 siklus. Lalu, komposisi prekursor kationik dan anionik yang digunakan

dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Tabel 3.2. Komposisi prekursor kationik dan anionik

Jenis Prekursor Jenis Larutan Konsentrasi Larutan

Prekursor kationik CuSO4 0,02 ZnSO4 0,01 SnSO4 0,02

Prekursor anionik Na2S 0,16


Kemudian, proses anil dilakukan dengan suasana sulfur dimana variasi temperatur dan waktu anil

menjadi variabel bebas dalam penelitian in. Untuk memudahkan penanganan sampel, maka setiap

sampel diberikan kode penamaan sebagai berikut: Tabel 3. 1. Daftar kode penamaan sampel

Waktu Anil (jam)

Temperatur Anil (oC) Kode Sampel

½ jam

250 25.1/2 300 30.1/2 350 35.1/2 400 40.1/2

1 jam

250 25.1 300 30.1 350 35.1 400 40.1

Gambar 3. 1. Skema pencelupan substrat ke prekursor

Sampel yang telah mendapatkan perlakuan anil kemudian dilakukan uji karakterisasi yaitu

instrumen XRD, SEM, dan UV-vis. Instrumen XRD digunakan untuk mengetahui nilai

kristanilitas sampel. Nilai kristalinitas didapatkan melalui persamaan Scherrer yang

memanfaatkan pengukuran lebar puncak difraksi melalui ukuran lebar setengah puncak atau

FWHM (full width at half maximum) sehingga didapatkan nilai diameter kristalit dengan

persamaan sebagai berikut:

! = ! �! !"#!

(3.1)


Instrumen SEM digunakan untuk mengetahui topografi dari permukaan sampel. Prinsip kerja

pada EDX sama halnya dengan SEM, dimana terjadi penembakan sinar X pada titik tertentu yang

ingin diamati. Hasil yang didapatkan berupa hasil komposisi dimana menunjukkan unsur yang

terkandung dan persen komposisi yang ada. Nilai absorbansi didapatkan melalui pengujian

dengan instrument UV-vis. Pengujian nilai absorbansi ini dilakukan pengaturan panjang

gelombang 350-800 nm, dimana nilai absorbansi didapatkan melalui persamaan berikut ini:

! = !!(!!!!!)!

!! (3.2)

4. Hasil Penelitian 4.1 Hasil Pengamatan Visual

Gambar 4. 1. Kondisi lapisan tipis pada sampel yang terbentuk hasil anil selama ½ jam

Gambar 4. 2. Kondisi lapisan tipis pada sampel yang terbentuk hasil anil selama 1 jam


4.2 Hasil Pengujian XRD

Gambar 4. 3. Grafik Intensitas Versus 2θ Hasil Pengujian XRD dengan Waktu Anil ½ Jam dan Temperatur Anil 250oC,

300oC, 350oC dan 400oC Tabel 4. 1. Perbandingan Nilai Diameter Kristalit pada Variasi Temperatur Anil dengan Waktu Anil Selama

½ Jam

Temperatur Anil [oC)] Kristalinitas (D) [nm]

250 11.67 300 18.32 350 17.31 400 11.83

Gambar 4. 4. Grafik Intensitas Versus 2θ Hasil Pengujian XRD dengan Waktu Anil 1 Jam dan Temperatur Anil 250oC, 300oC, dan 350oC


Tabel 4. 2. Perbandingan Nilai Diameter Kristalit pada Variasi Temperatur Anil dengan Waktu Anil Selama 1 Jam

Temperatur Anil [oC] Kristalinitas (D) [nm]

200 16.15 300 18.18 350 14.46

4.3 Hasil Pengujian SEM

Gambar 4. 5. Topografi Permukaan Hasil Pengamatan SEM (a) Temperatur Anil 300oC (b) Temperatur Anil 350oC (c)

Temperatur Anil 400oC


Gambar 4. 6. Topografi Permukaan Hasil Pengamatan SEM pada Temperatur Anil 300oC (a) Waktu Anil ½ Jam (b)

Waktu Anil 1 Jam 4.4 Hasil Pengujian EDX

Gambar 4. 7. Grafik Hasil Pengujian EDX, a) Sampel 300oC, ½ Jam b) Sampel 350oC, ½ Jam c) Sampel 400oC, ½ Jam

d) Sampel 350oC, 1 Jam


4.5 Hasil Pengujian UV-Vis

Gambar 4. 8. Grafik (αhv)2 Versus (hv) pada Sampel CZTS Hasil Anil Selama ½ Jam

Tabel 4. 3. Energi Celah Sampel Hasil Anil Selama ½ Jam

Sampel Temperatur Anil [oC] Energi Celah [eV]

25.1/2 250 2.25

30.1/2 300 0.4

35.1/2 350 -0.5

40.1/2 400 0.3

Gambar 4. 9. Grafik (αhv)2 Versus (hv) pada Sampel CZTS Hasil Anil Selama 1 Jam


Tabel 4. 4. Energi Celah Sampel Hasil Anil Selama 1 Jam

Sampel Temperatur Anil [oC] Energi Celah [eV]

25.1 250 0.05

30.1 300 -0.2

35.1 350 -2.5

40.1 400 1.5

Gambar 4. 10. Grafik Perbandingan Nilai Celah yang Terbentuk terhadap Waktu Anil ½ Jam dan 1 Jam

5. Pembahasan

5.1 Hasil Pengamatan Visual

Pengamatan visual lapisan tipis CZTS hasil anil ditunjukkan pada Gambar 4.1 dan

Gambar 4.2. Gambar 4.1 merupakan lapisan tipis CZTS hasil anil dengan variasi temperatur yang

meningkat dari 250oC sampai 400oC dengan waktu anil selama ½ jam. Terlihat bahwa dengan

meningkatnya temperatur sampai 350oC, lapisan yang terbentuk semakin menghitam, akan tetapi

setelah mencapai temperatur 400oC, lapisan yang dihasilkan memudar. Hal ini terjadi juga pada

Gambar 4.2 dimana perbedaanya terletak pada waktu anil, yaitu selama 1 jam. Pengamatan

visual lapisan tipis CZTS hasil anil, banyak penelitian yang tidak membahas ini, dikarenakan dari

penampakan secara visual yang ada tidak dapat menunjukkan sifat-sifat CZTS yang sebenarnya.

2.25

0.4

-‐0.5

0.3 0.05

-‐0.2

-‐2.5

1.5

-‐3

-‐2

-‐1

0

1

2

3

Energi Celah

(eV)

1/2 jam

1 jam


5.2 Hasil Pengujian XRD Berdasarkan Tabel 4.1 dan Tabel 4.2, dapat terlihat bahwa terjadi penurunan nilai

kristalinitas yang sejalan dengan meningkatnya temperatur anil. Nilai kristalinitas ditentukan oleh

ukuran kristalitnya. Semakin besar ukuran diameter kristalit, menunjukkan nilai kristalinitas yang

baik dan begitu juga dengan sebaliknya. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Shinde,

dkk[5] dan Zhang, dkk[15], dimana semakin tinggi temperatur anil, maka menghasilkan nilai

kristalinitas yang baik. Akan tetapi, bertolak belakang dengan hasil yang didapatkan. Perbedaan

ini terjadi akibat suasana perlakuan anil yang diberikan, dimana pada penelitian ini menggunakan

sulfur padatan. Selain itu, dapat terlihat pada kedua tabel dimana, nilai ukuran kristalit terbesar

terjadi pada temperatur anil 300oC. Ini dapat dimungkinkan bahwa pada temperatur anil sebesar

itu, merupakan kondisi anil terbaik karena memiliki nilai ukuran kristalit yang besar.

5.3 Hasil Pengujian SEM

Dari hasil pengamatan, Gambar 4.5a yang merupakan sampel dengan 35 siklus

pencelupan dan mengalami proses anil tanpa sulfur menunjukkan adanya gumpalan partikel

berwarna putih dan putih keabuan diatas permukaan dasar berwarna hitam gelap yang memiliki

tekstur guratan vertikal berdiagonal. Gumpalan partikel berwarna putih yang sebelumnya

mendominasi, seiring dengan kenaikan jumlah siklus pencelupan menjadi 40 siklus mulai

tergantikan oleh gumpalan partikel berwarna putih keabuan seperti yang terlihat pada Gambar

4.5b. Tekstur permukaan dasar berwarna hitam pun berubah menjadi tidak beraturan yang

menyerupai susunan butir-butir kecil mikrostruktur. Topografi permuakaan serupa juga terlihat

pada sampel yang mengalami 35 siklus pencelupan namun hasil proses anil dalam suasana sulfur,

Gambar 4.5c namun dengan gumpalan partikel berwarna putih dan putih keabuan yang lebih

kecil.

Kemungkinan retakan yang terlihat seperti batas butir pada Gambar 4.5a dan 4.5b,

merupakan cacat yang sering dijumpai pada metode pencelupan, yang mana disebutkan oleh

Shinde dkk[5] pada penelitiannya. Retakkan yang ada terjadi karena metode deposisi yang

dilakukan pada pembuatan lapisan tipis CZTS merupakan mekanisme deposisi pertumbuhan

elemen per elemen pada permukaan substrat.

Sedangkan pada Gambar 4.6 menunjukkan topografi permukaan pada temperatur anil

yang sama yaitu 300oC, dengan 2 variasi waktu anil, Gambar 4.6a memiliki waktu anil ½ jam dan

Gambar 4.6b memiliki waktu anil 1 jam. Semakin lamanya waktu anil yang dilakukan, maka


terlihat banyak kristalit-kristalit CuxS yang muncul. Selain itu, dengan waktu anil selama 1 jam,

dapat terlihat gumpalan-gumpalan yang berwarna keabu-abuan yang dapat diduga sebagai sulfur

sisa atau sulfur yang tidak bereaksi. Hal ini didasarkan pada hasil pengujian EDX, di mana

komposisi yang ada menunjukkan kandungan S yang sangat tinggi, sedangkan kandungan Cu, Zn

dan Sn tidak begitu banyak, sehingga dimungkinkan terdapatnya sulfur yang tidak bereaksi

membentuk CZTS maupun fasa kedua. Pembahasan mengenai pengujian EDX akan

diperlihatkan setelah ini.

5.4 Hasil Pengujian EDX Berdasarkan Gambar 4.7, dapat kita simpulkan bahwa terjadi kehilangan melalui

evaporasi, evaporasi terbesar terjadi pada unsur Zn dan Sn. Menurut penelitian yang dilakukan

oleh Scragg[13], bahwa unsur Zn akan terevaporasi dalam bentuk elementalnya, yang dimana

berarti bahwa terjadi kemungkinan kehilangan unsur Zn pada prekursor sebelum diubah menjadi

senyawa sulfida selama proses sulfurisasi. Sedangkan unsur Sn, menurut penelitian yang

dilakukan oleh Piacente dkk[13], kehilangan unsur Sn terjadi akibat dekomposisi dari senyawa

sulfida SnS dengan persamaan kimia sebagai berikut,

2SnS2(s) → Sn2S3(s) + 1/2S2(g) → 2SnS(g) + 1/2S2(g) (4.1)

Kehilangan unsur Sn terjadi akibat tekanan sulfurisasi yang rendah atau tekanan sulfurisasi yang

sama dengan tekanan atmosfer sekitar dan ketidaksediaan unsur S. Pada penelitian ini dapat di

mungkinkan bahwa kehilangan unsur Sn terjadi karena tekanan sulfurisasi yang rendah atau sama

dengan atmosfer sekitar. 5.5 Hasil Pengujian UV-Vis

Berdasarkan pada Tabel 4.3 dan 4.4, hasil penelitian ini ditemukan energi celah yang

nilainya jauh di bawah rentang 1.4 – 1.5 eV untuk aplikasi sel surya. Ini mengindikasikan bahwa

terdapatnya fasa kedua dengan energi celah yang sangat rendah, yaitu seperti yang sudah

dijelaskan pada subbab sebelumnya dimana terdapat hasil pengujian komposisi dengan EDX dan

juga topografi permukaan dengan SEM yang menunjukkan terdapatnya fasa kedua CuxS.

Bahkan, terdapat beberapa sampel dengan energi celah yang sangat rendah hingga mencapai nilai

minus, ini berarti lapisan yang terbentuk bukan bersifat semikonduktor lagi, melainkan bersifat

konduktor.


Penentuan konsentrasi prekursor kationik dan anionik dalam penelitian ini, mengacu pada

stoikiometri yang ada sehingga berada pada daerah terbentuknya lapisan tipis CZTS pada

diagram fasa terner Cu2S-ZnS-SnS2. Dari nilai energi celah yang terbentuk, dimana sangat rendah,

memungkinkan bahwa hampir semua sampel berada pada daerah Zn poor, dimana dimungkinkan

terdapatnya fasa kedua CuxS, dimana diketahui memiliki energi celah yang sangat rendah. Akan

tetapi, pada sampel yang disulfurisasi pada temperatur 400oC selama 1 jam, memiliki energi

celah yang diharapkan untuk aplikasi sel surya, yaitu bernilai 1.5 eV. Hal ini tentunya bergantung

kembali pada kondisi sulfurisasi. Menurut Scragg[13], temperatur sulfurisasi yang tepat adalah

ketika berada pada rentang 400-500oC. Akan tetapi, pada sampel yang mengalami sulfurisasi

pada temperatur 400oC selama ½ jam hanya bernilai 0.3 eV. Hal ini tentunya, bergantung pada

kondisi operasi yang nyata sewaktu proses sulfurisasi. Dimungkinkan sampel dengan sulfurisasi

selama 1 jam itu memiliki kondisi operasi yang tepat dibandingkan dengan selama ½ jam. 6. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian dan analisa yang telah dilakukan, kesimpulan dari penelitian

ini antara lain:

1. Peningkatan temperatur anil meningkatkan nilai kristalinitas lapisan tipis CZTS.

Sedangkan peningkatan waktu anil menurunkan nilai kristalinitas lapisan tipis CZTS.

2. Hasil pengujian SEM dan uji komposisi EDX menunjukkan bahwa lapisan tipis CZTS

yang dihasilkan sangat kecil dan juga terdapat kemungkinan fasa kedua CuxS.

3. Peningkatan temperatur anil dari 250oC-400oC selama ½ jam dalam suasana sulfur

terhadap sampel lapisan tipis CZTS, memiliki nilai energi celah dengan kisaran nilai 2.25-

0.3 eV.

4. Peningkatan temperatur anil dari 250oC-400oC selama 1 jam dalam suasana sulfur

terhadap sampel lapisan tipis CZTS, memiliki nilai energi celah dengan kisaran nilai 0.05-

1.5 eV. 7. Saran

Penulis memberikan beberapa saran dan rekomendasi yang dapat dilakukan untuk

penelitian lanjutan berkaitan dengan pembuatan semikonduktor lapisan tipis CZTS untuk aplikasi

sel surya menggunakan metoda SILAR, yakni sebagai berikut.


1. Perlu di lakukannya etsa dengan menggunakan larutan KCN setelah proses anil lapisan

CZTS untuk menghilangkan fasa kedua CuxS sehingga didapatkan nilai energi celah yang

diinginkan.

2. Perlu di lakukannya pengujian karakterisasi elektrik pada lapisan tipis CZTS hasil anil

agar dapat mengetahui variabel-variabel elektrik dan juga efisiensi yang dihasilkan pada

aplikasi sel surya. Kepustakaan

[1] : Suryawanshi, M.P., Agawane, G.L., Bhosale, S.M., Shin, S.W., Patil, P.S., Kim, J.H.,

Moholkar, A.V. (2012). CZTS Based Thin Film Solar Cells : A Status Review, Materials

Technology Vol. 28. W.S. Maney & Son Ltd

[2] : Elinur, Priyarsono, D.S., Tambunan, Mangara., Firdaus, Muhammad. (2010). Perkembangan

Konsumsi dan Penyediaan Energi dalam Perekonomian Indonesia, Indonesian Journal of

Agricultural Economics (IJAE) Vol. 2, No. 1, Edisi Desember 2010

[3] : Rahman., Abdul, Thalito. (2010). http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-8828-

1404100053-Chapter1.pdf diakses pada tanggal 5 Desember 2013 15.47 WIB

[4] : Hossain, Mohammad Istiaque. (2012). Prospect of CZTS Solar Cells from The Perspective

of Material Properties, Fabrication Methods and Current Research Challenges. Chalcogenide

Letters Vol. 9, No.6, June 2012, p. 231- 242

[5] : Shinde, N.M., Deshmukh, P.R., Patil, S.V., Lokhande, C.D. (2012). Aqueous Chemical

Growth of Cu2ZnSnS4 (CZTS) Thin Films : Air Annealing and Photoelectrochemical Properties,

Materials Research Bulletin. Elsevier

[6] : Mali, S.S., Patil, B.M., Betty, C.A., Bhosale, P.N., Oh Young W., Jadkar, S.R., Devan, R.S.,

Ma Yuan-Ron, Patil, P.S. (2012). Novel Synthesis of Kesterite Cu2ZnSnS4 Nanoflakes by

Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction Thecnique : Characterization and Application,

Electrochimica Acta. Elsevier

[7] : Kittel, C. (1976). Introduction to Solid State Physics, USA. John Wiley & Sons


[8] : National Qualifications Curriculum Support. (2011). Physics, Semiconductor and Band

Theory, Scotland. Learning and Teaching Scotland 2011

[9] : Flammersberger, Hendrik. (2010). Experimental Study of Cu2ZnSnS4 Thin Films for Solar

Cells. Uppsala Univesitet, Netherland

[10] : Chowdhury, Sumit. Synthesis and Characterization of SnS Thin Films Using Successive

Ionic Layer Adsorption and Reactiom (SILAR) Method and Fabrication of CdS/SnS

Heterostructured Devices. Jadavpur University, India

[11] : Pawar, B.S., Pawar, S.M., Gurav, K.V., Shin, S.W., Lee, J.Y., Kolekar, S.S., Kim, J.H.

(2011). Effect of Annealing Atmosphere On The Properties of Electrochemically Deposited

Cu2ZnSnS4 (CZTS) Thin Films, ISRN Renewable Energy Vol. 2011, Article ID 934575. Creative

Commons Attribution License

[12] : Shinde, N.M., Dubal, D.P., Dhawale, D.S., Lokhande, C.D., Kim, J.H., Monn, J.H. (2012).

Room Temperature Novel Chemical Synthesis of Cu2ZnSnS4 (CZTS) Absorbing Layer for

Photovoltaic Application, Material Research Buletin 302-307. SciVerse Science Direct

[13] : Scragg, J.J. Studies of Cu2ZnSnS4 Films Prepared by Sulfurisation of Electrodeposited

Precusors.(2010). Departement of Chemistry, University of Bath, United Kingdom

[14] : Khalkar, Arun., Lim, K.S., Yu, S.M., Patole, S.P., Yoo, J.B. (2013). Effect of Growth

Parameters and Annealing Atmosphere on The Properties of Cu2ZnSnS4 Thin Films Deposited by

Cosputtering, International Journal of Photoenergy Volume 2013. Hindawi Publishing

Corporation

[15] : Zhang, Jie., Long, Bo., Cheng, Shuying., Zhang, Weibo. (2013). Effect of Sulfurization

Temperature on Properties of CZTS Films by Vacuum Evaporation and Sulfurization,

International Journal of Photoenergy Volume 2013. Hindawi Publishing Corporation

[16] : Fernandes, P.A., Salomé, P.M.P., Sartori, A.F., Malaquias, J., Cunha da A.F., Schubert,

Björn-Arvid., Gonzales, J.C., Ribeiro, G.M. (2013). Effect of Sulphurization Time on Cu2ZnSnS4

Absorbers and Thin Films Solar Cells Obtained from Metallic Precursors, Solar Energy

Materials & Solar Cells 155. Elsevier


[17] : Scragg, J.J., Dale, P.J., Peter. Synthesis and Characterization of Cu2ZnSnS4 Absorber

Layers by an Electrodeposition-Annealing Route. (2009), Thin Solid Films 517. Elsevier

[18] : Jiang, Minlin., Yan, Xingzhong. (2013). Cu2ZnSnS4 Thin Film Solar Cells : Present Status

and Future Prospects, Departement of Electrical Engineering and Computer Science, Sout

Dakota University, USA

[19] : Su, Zhenghua., Yan, Chang., Sun, Kaiwen., an, Zili., Liu, Fangyang., Liu, Ji., Lai,

Yangqing., Li, ie., Liu, Yexiang. Preparation of Cu2ZnSnS4 Thin Films by Sulfurizing Stacked

Precursor Thin Films via Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction Method. (2012),

Applied Surface Science 258 (2012). SciVerse Science Direct

[20] : M. Ristova, M. Ristov. Sliver-Doped SnS Films for PV Applications. Sol. Energy Mater.

Sol Cells 53 (1998) 95

[21] : K. Ito and T. Nakazawa : Jpn J. Appl. Phys., 1988, 27, 2094-2097

[22] : H. Katagiri, N. Sasaguchi, S. Hando, S. Hoshino, J. Ohashi and T. Yokota : Sol. Energy

Mater. Sol. Cells, 1997, 49, 407-414

[23] : Chrisey, D.B., Hubler, G.K. Pulsed Laswer Deposition of Thin Films. (1994). USA. John

Wiley and Sons

[24] : K. Tanaka, N. Moritake and H. Uchiki : Sol. Energy Matter. Sol. Cells, 2007, 91, 1199-

1201


pengaruh temperatur dan waktu anil terhadap struktur dan

Documents