Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN /4/0- 2897

PENGARUH ANILING P ADA TYPE SEMIKONDUKTORPOLIKRISTAL CuInSe21

,,=Achmad Arslan2 dan Budiarto2

ABSTRAKPENGARUH ANILING PAOA TYPE SEMIKONOUKTOR OARI POLIKRISTAL CuInSe2 :Telah dilakukan

pengendalian type simikonduktor dengan aniling pada beberapa temperatur karena polikristal CuInSe2- Bahan ini memiliki koefisienserapan optik sebesar 10s cm-1 Bahan ini (CuInSeJ tidak memiliki keseragaman jenis (p dan n) sehingga untuk heterojunction perludilakukan pengendalian tipe. Berdasarkan basil pengukuran nilai resistivitas didapat yang terbaik pada temperatur aniling 500.C yangditahan selama 3 jam dengan nialai resistivitas adalah 0,00594 :t 0,00356 Oem-i. Sedangkan untuk kehomogenan tipe-p, yang terbaikdiperoleh pada temperatur 500.C yang ditahan selama 1,2 dan 3 jam.

ABSTRACTINFLUENCE OF ANNEALLING TO THE SEMICONDUCTOR TYPE OF POLYCRYSTAL CuInSe2: The

controlling type of semiconductor has been carried out by annealing at several temperature. This material has the optical absorptioncoefficient 10s cm-l. This material has not homogeneity in type of semiconductor (p and n), therefore make heterojunction type solarcell, the controlling of type semiconductor is needed. According to the measurement, the best figure of the resistivity is found atannealing temperature of 500°C which is held in 3 hour with the resistivity value is 0,00594 :!: 0,00356 .ocm-l. While for homogeneityp-type, the best condition is reached at annealing temperature of 5000C, which are held as long as I, 2 and 3 hour.

KEY WORD

Annealing, Semiconductor, Polycrystal

PENDAHULUAN CuInSe2 dilakukan perlakuan panas (aniling) denganwaktu 1, 2 dan 3 jam pacta temperatur 300, 400 dan500°C. Ada 2 macam struktur gel surya yang palingsederhana, yaitu: homojunction, hubungan p-n daribahan semikonduktor yang sarna dan heterojunction,hubungan p-n dari dua bahan semikonduktor yangberbeda.

Tabell. sifat-sifat fisika bahan

Namaunsur

Beratatom

CuIn

Se

63,546~78,96

Titiklebur~

1083,4

~217,0

Grupperio

dikI

llBVIB

Copper indium diselinide (CuInSez)CIS telah menjadi bahan

semikonduktor yang penting pada saat ini terutamapenggunaanya sebagai bahan penyerap sinarmatahari pada sel surya. CIS memiliki koefisienserapan optik 105 cm-l, inijauh lebih baik dari bahansemikonduktor lainya seperti silikon, sehinggamemungkinkan digunakanya sebagai bahan dasar sel

surya lapisan tipis.CIS memiliki energy gap 1,02 eV

(direct gap) mendekati nilai optimum band gapsehingga berpeluang besar sebagai bahan sel suryaberefisien tinggi. Keuntungan lainya dari bahan CIS

Polikristal CuInSe2 merupakan salah satu bahansemikonduktor yang dapat digunakan sebagai bahandasar sel surra. Bahan ini memiliki koefisienserapan optik «:1) sebesar 105cm-l, inijauh lebih baikdengan bahan semikonduktor pendahulunya yaitusilikon dengan koefisien serapan optik 104 cm-1. [1-2] Selain itu CuInSe2 juga memiliki daya tahan yangbaik terhadap radiasi matahari. Namun begitupolikristal untuk sel surra dari bahan CIS (CuInSeJmemiliki keseragaman jenis (p dan n) sehinggauntuk heterojunction perlu diperlakukanpengendalian tipe siemikonduktor.Prinsip dari penumbuhan atau pembuatan polikristalCuInSe2 adalah pencairan bahan-bahan utama yaituCu, In clan Se yang kemudian diikuti denganpendinginan pada temperatur kamar.

Tujuan penelitian ini adalah

mempelajari proses penumbuhan polikristal CuInSe2clan upaya memperbaiki sifat listrik denganmelakukan aniling dan penelitian ini dilakukan diLSDE-BPPT dan di PPSM Serpong.

Pada penelitian ini dilakukan

punumbuhan polikristal CuInSe2 dengan komposisi1: 1:2 yang menggunakan single zona temperaturfurnace pada kondisi operasi yangtetap.

Analisa mengenai sifat listrik bahanhanya dilakukan terhadap tahanan (resistivitas).Untuk memperbaiki sifat listrik bahan polikristal

1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 Pusat Penelitian Sains Materi -BA TAN

426

Prosidin Pertemuan fImiah Sains Materi /SSN /4/0 -2897

Sifat CuInSe2 atau CIS sangat

tergantung pada komposisi elemenya, CIS akanbersifat semikonduktor tipe-p dengan resistivitasrendah (0,001 -10 ohm.cm) apabila kelebihan unsurCu dan akan bersifat semikonduktor tipe-n denganresisitivitas rendah atau bersifat semikonduktor tipe-p dengan resistivitas tinggi (100 > 1000 ohm.cm)apabila kelebihan unsur In (gambar 2).

dapat dibuat sel surya berjenis homojunction dan

heterojunction.CulnSez merupakan kelompok dari

ternary compound I-III-IV. Bahan ini membentukkristal yang dikenal sebagai struktur Chalcopyrite(merupakan gabungan dari 2 buah struktur zincblende) (gambar la)(5].

Seperti terlihat pada diagram phasa(Gambar lb), titik cair bahan ini berada padatemperatur 987°C, transformasi rase solid-stateterjadi pada temperatur 810°C dan 665°C. Padatemepratur 810°C struktUr CIS adalah

spalerite(2,3,9].

METODOLOGI PENELITIAN

Langkah-langkah pelaksanaan penelitian ini adalahsebagai berikut :

o~.CII0 s.

Penumbuhan polikristal CIS:Peleburan Cu, In daD Se dilakukan pada temperaturdaD waktu yang berbeda-beda dengan uraian sebagaiberikut :.Temperatur tungku dinaikan sampai 200°C

dengan kenaikan loC/2menit.Temperatur tungku dijaga pada 200°C selama

24 jam.

.Temperatur tungku dinaikan kembali hingga500°C dengan kenaikan 100°C/jam

.Temperatur dinaikan sampai IIOO°C dengankenaikan 200°C/jam daD di jaga temperatumyaselama 24 jam.

.Temperatur diturunkan dengan cara mematikankontrol pemanas.

(a)Aniling :Tabung kaca yang telah diberi pemanas (heater)ditutup lalu diaktitkan sesuai dengan temperaturyang diinginkan. Sampel dilitekan diatas termokopeldiantara pemanas dalam tabung kaca daD kemudianditutup. Sam pel diambil setelah lama waktu anilingyang diinginkan lalu didinginkan pada temperaturkamar. Sampel diukur nilai resistivitas dan

kehomogenan tipenya dengan menggunakan alatFour Point Probe.

HASIL PENELITIAN

Hasil Penumbuhan Polikristal CuInSe2Polikristal CuInSe2, dihasilkan dari proses peleburanbahan-bahan Cu, In dan Se di dalarn ampul yangdimasukan pada furnace. Hasil penumbuhanpolikristal sangat memuaskan dimana secara visualterlihat ingot yang solid dan tidak melekat pada

ampul.

Gambar l.(a )Struktur kristal CIS (b). Diagram Phase CIS

427

Pros;d;nJ! Pertemuan I/m;ah Sa;ns Mater; /SSN /4/0- 2897

Se/M > 1

~ '¥ i-

Cu/ln > 1 Cu/ln < 1

tipe-p, R rendah tipe-p,R medium

tipe-n, R tinggi

Se/M<l~ ~ ~

Cu/ln > 1 Cu/ln < Itipe-p,R rendah tipe-p,R tinggi

atautipe-n, R rendah

Gambar 2. Hubungan antata tasio unsur dengan tipe clan resistivitas

'2..

I'".8.III

.88

2..

Gambar 3. Grafik proses penumbuhan polikristal CulnSe2

CulnSe2

1000

800

-:;-.IiIn

!S°inc:Q)-c:

600

400

200

0aC')

Ln 0~

on~

0N

II)N

Ii)<'>

0V

10~

0LC)

1010

0to

0()CD

0r--

29

Gambar 5. Pola difraksi sinar X (XRD) untuk polikristal CulnSez

I42d (122)dapat diketahui parameter kisinya, yaitu :a = b = 5,8436 A; = 11,4529 A ; cia = 1,9599 A

Hasil analisa X -Ray DifraktometerDari pengukuran difraksi sianar-x

untuk pengamatan rasa yang terbentuk dari sam pel(polikristal CulnSez ) setelah dilakukan penumbuhandapat dilihat pada gambar pola difraksi dibawah ini:Dari hasil analisa Rietveld[12] pola difraksi sinar xdiperoleh data hitungan dengan input grup ruang

Hasil Analisa SEMOari analisa un sur menggunakan EDX komposisibahan terhadap tiga posisi ingot, yaitu atas, bawahdan tengah dengan mempergunakan ScanningElectron Mikroscope.

428

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi ISSN 1410 -2897

Tabel 2.Analisa unsur CIS hasil SEM-WDX

Oari data diatas, ditunjukan komposisibahan pacta ingot cukup homogen. Hal inimembuktikan bahwa prosedur dari pembuatanpolikristal yang dilaksanakan pacta penelitian inicukup memadai.

Analisa Four Point ProbeHasil analisa sampel dengan

menggunakan four point probe sebelum dilakukanani ling akan memperlihatkan tire yang tidakhomogen clan nilai tahanan cukup besar. Hal inidapat dilihat dari data hasil percobaan dibawah ini :

Kemudian dilakukan ani ling denganmenggunakan variabel temperatur clan waktu,hasilnya dapat dilihat dengan menggunakan FourPoint Probe sebagai berikut:

PEMBAHASAN

Temperatur yang digunakan dalamproses penumbuhan polikristal adalah 200°C, 500°Cclan I 100°C. Proses pada temperatur 200°C dengankenaiakan }OC/2 menit bertujuan untuk melelehkanIn clan Se. Lambatnya kenaikan suhu pada proses inidiharapkan suhu menyebar merata pada bagian ingotsehingga tidak akan timbul energi panas yangmengakibatkan reaksi eksotermal dari komponen Seyang dapat menimbulkan ledakan. Ledakan ini dapatdikatakan berbahaya karena Se akan mengeluarkangas beracun. Selanjutnya dipanaskan sampai I 100°Cdengan kenaiakan 200°C/jam bertujuan untukmelelehkan Cu. Pada pemanasan sampai I 100°C adaperistiwa penggoyangan ampul yang bertujuan untuk

menghasilkan campuran yang homogen antara Cu,In dan Se sehingga menghasilkan struktur kristalChalcopyrite CIS yang diharapkan.

Hasil uji SEM dapat terlihat dalam %berat, bahwa sam pel ingot bagian atas dengankomposisi Cu, In dan Se adalah 19,429:t 0,900 ;32,390:t 1,790 dan 48,165:t 0,390, bagian tengahadalah 19,150:t 0,620; 28,810:t 1,780 dan 47,94Q:t0,170 serta bagian bawah adalah 17,000:t I ,500;30,590:t 0,070 dan 47,200:t 0,560 Dan yang terakhirdilakukan analisa bahan untuk mencari nilairesistivitasnya serta tipe bahan dengan menggunakanalat four point probe. Pengujian ini dilakukan dalamdua tahap yaitu sebelum dan sesudah aniling. Hasiluji sebelum aniling nilai resistivitas rata-rata daDtipenya adalah sebagai berikut 0, I 898:t 0,1760 .0.cm-1 dan tipenya tidak homogen, sam pel tengah nilairesistivitinya adalah 0, 113:t 0,049 .0. cm-1 dantipenya tidak homogen, sedang sampel bagianbawah nilai resistivitasnya 0,4794:t 0,777.0. cm-1 daDtidak homogen (data lihat tabeI3).

Hal ini disebabkan karena pada Waktu

pengkristalan terjadi, adanya bagian-bagian tertentuyang mengkristal terlebih dahulu sehinggamenyebabkan tipe dan nilai resistivitnya bervariasisepanjang ingot. Proses aniling pada penelitian inidimaksudkan untuk mengurangi nilai resistivitas danmenjadikan tipe kristal yang homogen, dimana ke

homogenan tipe (menjadi tipe p semua) tergantungdaTi banyaknya pengurangan unsur Se. Untukkurangnya nilai resistivitas disebabkan karenaperbesaran butiran kristal sehingga kontak antarabutiran akan semakin baik atau besar.

Hasil uji setelah aniling yang palingbaik adalah pada temperatur 500°C selama 3 jam.Pada temperatur daD waktu ini didapat tipe yanghomogen dengan nilai resistivitas kecil yaitu0,00594 :t 0,00356 .0. cm-l, resistivitas kecil dapatdiartikan sebagai nilai konduktivitas yang besarsehingga daya hantar bahan semakin baik.

Tabel 3. Hasil pengukuran resistivitas clan tipe semikonduktor dari CIS sebelum aniling

429

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN /4/0 -2897

Tabel 4. Hasil pengukuran resistivitas dan tipe semikonduktor dari CIS bagian tengah dengan ani ling

Sampel Temperatur 300°Cdanwaktu I jam

Temperatur 300°C dan

__waktu 2jam

Temperatur 300°C danwaktu 3 jam

I.

P (.0. em-I)

0,0820,0660,00440,1430,166

0,1002::!:: 0,0580

Tipep

n-pn-pp

n-ptidak-

homogen

p (0, em-i)0,060,0530,0370,] ]5

0,]430,08]6:t 0,0257

Tipep

n-pn

pn-p

tidak-homogen

p (0 cm-l)0,0510,0340,0.190,0770,088

I 0,0538:t 0,1062

Tipep

n-ppp

n-ptidak-

~omogen

No:I.2.3.4.5.

Rata-rata

Tabel 5. Hasil pengukuran resistivitas clan tipe semikonduktor daTi CIS bagian atas dengan aniling

Sampel Temperatur 400°C clanwaktu l jam

Temperatur 400°C danwaktu 2 jam

Temperatur 400°C danwaktu 3 jam

p(Q cm.l)

0,0710,0820,0940,0960,194

0,1074:t 0,0290

No Tipepppp

n-ptidak-

homogen

P (.0. cm-') Tipeppn

pp

homogen

i P (0 cm-l)II

0,036I

0,042

i 0,045

0,049i 0,108i ---::'i 0,056I~~

Tipeppppp

homogen

0,0580,0630,0660,0750,138

0,08:1:0,029

2.3.4.5.

Rata-rata

Tabel 6. Hasil pengukuran resistivitas dan tire semikonduktor daTi CIS bagian bawahdengan aniling

KESIMPULAN

3.

Dari basil penelitian ini dapat diambilbeberapa kesimpulan sebagai berikut :1. Temperatur proses dalam penumbuhan

polikristal adalah 200°C, 500°C clan II OO°C.2. Dari basil analisa dengan menggunakan SEM

dapat dilihat komposisi daTi Cu, In clan Sedalam % berat. Dimana Cu bagian atas sebesar19,429; bagian tengah sebesar 19,150; bagianbawah sebesar 17,000. Untuk In bagian atassebesar 32,390; bagian tengah 28,810; bagian

4

bawah sebesar 30,590; dan untuk Se bagian atassebesar 48,165; bagian tengah sebesar 47,940;bagian bawah sebesar47,200.Aniling dalam penelitian ini untuk mendapatkannilai resistivitas yang kecil daD tipe yanghomogen (tipe-p) daD penguapan Se pada

perisitiwa aniling sangat mempengaruhikehomogenan tipe semikonduktor dar polikristalCIS.Berdasarkan basil pengukuran nilai resistivitasdidapat yang terbaik pada temperatur 500°Cselama 3 jam dengan nialai resistivitas adalah

430

Prosidin Pertemuan lImiah.\'ains Materi ISSN 1410 .2897

0,00594 :t 0,00356 Ocm-J. Sedangkan untukkehomogenan tire yang terbaik pada temperatur500°C yang ditahan selama ], 2 clan 3 jam.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih ditujukan kepadaDr. Martin Djamin atas sampel-sampel CuInSe2, Sdr.Suhairy, Sdr. Indarto serta Sdr. Agus Sunardi dariBalai Tekno Fisika, PPSM, BA TAN, atas bantuandalam penelitian ini.

DAFTARPUSTAKA

[1] PAULET, J.,CHAMBRON,J. andUNTERREINER,R. 1980. "J Appl. Phys".,v.55, (1980) 738.

[2] OZOLIN'ZH, G.V., GORYUNOVA, G.A, andLEVIN'SH,L.N., ,. Kristallografiya", 8(2),

(1963)272.[3} FEARHELLEY,M.L., " Solar Cell", 16 ,

(1986),91-100.

[4] NEUMAN, H. and TOMLINSON, R.D., " Solar

Cell", 28, (1986)301.[5] CHAMPNESS, C.H., Non-Stochiometri in

semiconductors, (1992) ,119-124.[6] LANDIS, A.G. and HEPP, A.F., Proceeding of

European Space Power Conference, lorence,Italy, (1991)517.

[7] DJAMIN, M., Prosiding Pengkajian,Pengembangan, dan Penerapan TeknologiKonversi don Konservasi Energi Volume I, OPT-LSDE BPPT, Serpong, (1994) 75.

[8] TOMLINSON, R.D., Materials Research Society,(1987) 177.

[9] PARKES, J., TOMLINSON R.D. andHAMPSHIRE M.J., Journal Appl. Crystallogr.,6,(1983)414.

[IO]GARANDET, J. P. , et al., .J Cryst. Growth.,96(1 989),pp. 888-898.

[I I] LOFERSKI, J. J. .J. Appl, Phys. 27(7), (1956)77.

[12] KNIGHT, K.S., Mat. Res. Bull., V.27, (1992),pp 161-167.

431