Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

LAPISAN TIPIS SiN UNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSIDAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA

Trimardji Atmono, Sudjatmoko daD YunantoPuslitbang Teknologi Maju (P3TM)-BATAN

Jl. Babarsari PO Box 1008 Yogyakarta

ABSTRAK

LAPISAN TIPIS SiNUNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA. Telahdilakukan penelitian pembuatan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara untuk gel surya.Dalam hal ini diperlukan bahan lapisan SiN yang mempunyai transmitansi yang tinggi dan dapat memisahkan medium udara

dengan lapisan tipis elektroda transparan ZnOAI. Pembuatan lapisan tipis SiN dilakukan dengan metode RF sputtering, target Siyang ditempatkan pacta kathoda ditembaki dengan ion-ion argon. Untuk pembentukan lapisan SiN dialirkan gas nitrogen sehinggaterjadi proses reaktif sputtering. Pengukuran prosentase transmitansi dilakukan dengan menggunakan UVVis. Ohm meter digitaldigunakan untuk mengukur tahanan lapisan tipis ZnOAl, sebelum dan sesudah diberi lapisan tipis SiN Dari basil pengukurandidapat transmitan tertinggi 98 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAI sebesar 48 %, peningkatan tahanan lapisan tipisZnOAl/SiN 3,4 % pacta kandungan unsur Si 4,4 % dan N 2,5 %.

Kata kunci : Lapisan tipis SiN, gel surya, metode RF sputtering

ABSTRACT

SiNTIDN FILM FOR THE ANTIREFLEXION LAYER AND AIR GAP ON THE SOLAR CELL. The research onthe prepairing of SiN-thin films tor applying as the anti reflexion layer as well as for protection against oxidation of the solar cellhas been done. The following behaviours are needed for this applications, namely high transmittance and the capability toseparate the transparent electrode ZnOAl from medium of air. The preparation of SiN thin films are carried out by using RF-Sputtering method, target S was placed at the cathod and bombarded by Argon ions. To form the SiN layer, the Nitrogen gas wasflowed to the sputter chamber, so that the reactive sputtering is occurred. The measurement of the transmittance was done withthe UVVis. The digital ohm-meter was used to measure the resistance of thin film ZnOAI, betore and after the sputtering of"wearing" of SiN layer. The results showed the highest transmittance of 98%. The raising of the resistance was 48%, whichoccurred at the 4.4% and 2.5% content of Si and N, respectively.

Key words: SiN thin film, solar cell, RF sputtering method

PENDAHULUAN

Pada tahun terakhir banyak dilakukan penelitianlapisan tipis untuk pembuatan sel surya. Sampai saatini baru dapat dibuat sel surya yang mempunyai efisiensimasih relatif rendah. Salah satu penyebab masihrendahnya efisiensi sel surya adalah karena elektrodayang digunakan masih beropa parol (grating) yanghampir menutup sebagian permukaan bahansernikonduktor (biasanya daTi bahan silikon). Dengandernikian sinar yang masuk tidak selurohnya diubah

menjadi daya listrik, sehingga dapat meningkatkan aruspadasel surya[I,2].

Lapisan tipis sel surra menggunakan susunanSiN/ZnOAI/(a-Si:H)B/a-Si/(a-Si:H)P/ Ag. Pada lapisantipis sel surra lapisan tipis SiN berfungsi untukpenyekat terhadap udara antara udara dan ZnOAl sertaberfungsi juga sebagai lapisan anti refleksi[2,3].

Lapisan tipis yang mempunyai sifat anti refleksisalah satunya adalah lapisan tipis SiN (silikon nitride).Lapisan tipis ini adalah lapisan tipis SiN. yang berasal

dari senyawa an tara unsur Si dan N. Senyawa ini bernpabahan keramik yang merupakan paduan antarasemikonduktor dan unsur bukan semikonduktor maupunlogam. Senyawa ini mempunyai ikatan ionik atau ikatankovalen, sehingga sifatnya berbeda dengansemikonduktor. Biasanya bersifat isolator, bellingtembus cahaya (transmitannya tinggi) dan stabil padasuhu yang tinggi. Ketahanan terhadap suhu tinggi inidisebabkan karena mempunyai ikatan ionik. Bahankeramik biasanya mempunyai strnktur kristalin, akantetapi berlainan dengan logam. Strnktur keramik adalahsedemikian sehingga tidak benyak elektron bebasnyaseperti pada umumnya sifat logam penghantar. Elektrontersebut dibagi dengan atom yang berdekatan dalamikatan kovalen atau berpindah dari atom yang satu keatom yang lain membentuk ikatan ion, atom terionisirdanbermuatan [5].

ZnO adalah bahan semikonduktor ripe N, dalamstruktur kristal ZnO terkandung atom-atom Zn dan 0

142

Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Refleksi dan Penyekat Udara Pada Sel Surya (Trimardji Atmono)

TATA KERJA

Untuk mendapatkan lapisan tipis SiN yang baikyang mempunyai sifat anti refleksi maka dalam penelitiandengan metode RF sputtering dilakukan variasikomposisi unsur Si dan N, daya RF antara 155 watt175 watt dan jarak elektroda daTi 1 cm sampai 3 cm.Sebagai sputter gas adalah Argon dengan kemurnian99,9%, sedangkan sebagai gas reaktifadalah Nitrogen.Tekanan gas dan waktu deposisi dibuat tetap yaitumasing-rnasing 8,5 x 10-2 torr dan 20 menit. Untukmembuat lapisan tipis ZnOAl substrat kaca dipotongdengan ukuran 1 cm x 1 cm, ditempatkan pactaanodal ground. Target ZnO dan Al ditempatkan pactakatoda dan substrat kaca pacta anoda. Sedangkan untukmembuat lapisan tipis SiN target Si dipasang pactakatoda, untuk menghasilkan lapisan tipis SiN dialirkangas N yang secara simultan diionkan dengan

teganganRF.Untuk mengamati sifat refleksi, dilakukan

pengukuran transmitansinya dengan menggunakanUV -Vis. Alat ini pada dasamya terdiri dari somber cahaya,monokromator, temp at cuplikan, detektor cahaya,penguat tegangan dan penampil. Sumber cahaya terdiridaTi lampu lucutan hidrogen, panjang gelombang150 nm sampai dengan 350 nm dan lampu wolfram,panjang gelombang 350 nm sampai 1.000 om. Alat yangdigunakan dapat divariasi panjang gelombangnya daTi190 nm sampai dengan 950 om. Cahaya dilewatkan pactamonokromator, sehingga akan keluar cahaya denganpanjang gelombang tunggal. Monokrornator ini diputarsecara perlahan sehingga akan menghasilkan cahayayang berubah panjang gelombangnya secara perlahan-lahan dan ditangkap oleh detektor rota elektrik. KeluarandaTi detektor ini diperkuat dengan amplifier daDhubungan antara panjang gelombang dan transmitansidaTi cuplikan ditampilkan oleh komputer.

Komposisi dari target pacta umumnya tidak sarnadengan lapisan tipis yang dihasilkan karena prosessputtering yang kompleks dan melibatkan banyakparameter. Unsur yang terdeposisi pacta substratdianalisis dengan metode APNC. Dalam pengamatanini atom yang terdeposisi pacta substrat diiradiasi denganneutron cepat 14 MeV daTi generator neutron denganwaktu tertentu Selama irradiasi neutron, sub.\"tratmengalami aktivitas peningkatan nomor massa inti atom,sehingga substrat bersifat radioaktif. Setelahberakhimya proses aktivasi, substrat yang telah bersifatradioaktif akan mengalami peluruhan denganmemancarkan sinar gamma. Tenaga sinar gamma yangdipancarkan menunjukkan nomor massa unsur substrat.Sinar gamma ini dianalisis menggunakan spektrometer

garmna.

yang tidak seimbang. Ketidak seimbangan akanmenimbulkan konduktivitas pacta ZnO. Kelebihan atomZn (dibanding 0) dalam kristal ZnO, dimana atom Zn

berfungsi sebagai donor, mengakibatkan ZnO akanbersifat sebagai konduktor .Selain itu ZnO mempunyaisifat transmitan pacta daerah cahaya tampak sekitar90 %. Dengan demikian ZnO dapat digunakan sebagaiTCO (Transparent Conducting Oxide) yaitu sebagaielektroda yang tembus cahaya. Tetapi ZnO-layermempunyai kekurangan hila digunakan untuk elektrodatransparan, yaitu bahwa lapisan tipis ZnO sebagaielektroda transfaran akan bereaksi dengan udara,sehingga akan menyebabkan penurunan konduktivitasZnO, sebanding dengan lamanya waktu reaksi denganudara (suatuketika akan terjadi kejenuhan). Hal ill akanmenyebabkan sifatjatuh tegangan pacta elektroda yangakhimya mengakibatkan penurunan efisiensi selsurya[2].

Untuk meningkatkan efisiensi sel surya salah satupenelitian yang dikembangkan dengan cara pemberianlapisan tipis anti retleksi yang sekaligus untuk penyekatantara lapisan tipis TCO dan dengan udara. Denganmenggunakan lapisan anti retleksi maka hampir semuasinar datang akan masuk mengenai sambungan P-N,sehingga akan menghasilkan daya yang maksimum.

Untuk mendapatkan senyawa SiN atau membuatlapisan tipis SiN dilakukan dengan mencampur unsur Sidan N, dimana akan terjadi senyawa SiN yangmempunyai struktur kristal yang berbeda denganstruktur kristal Si. Lapisan tipis SiN dapat dibuat denganberbagai macam metode antara lain: teknik evaporasi,teknik CVD dan teknik sputtering. Dalam makalah inidisajikan basil penelitian tentang pembuatan lapisan tipisSiN dengan teknik sputtering. Sebagai substrat dipilihkaca yang mempunyai transmitan yang tinggi,sedangkan untuk preparasi lapisan tipis SiN dipilih targetSi dengan diameter 75 mm dan gas reaktif N dengansputter gas Argon. Selain itujuga dibahas bagaimanapengaruh campuran unsur Si dengan N, daya RF danjarak elektroda transmitansi, kekuatan penyekat antaraTCO dengan udara dan komposisi unsur basil

sputtering [5].Tujuan daTi penelitian ini adalah menyelidiki

pengaruh paduan unsur, daya RF dan jarak elektrodaterhadap transmitan lapisan tipis SiN dan kekuatanpenyekat antara TCO dengan udara serta pengamatankomposisi unsur basil sputtering. Dengan melakukanvariasi campuran gas N, daya RF dan jarak elektroda

diperoleh lapisan tipis yang mempunyai prosentasetransmitansi yang tinggi dan dapat membatasi antaralapisan tipis ZnOAI dengan udara. Selanjutnyadiharnpkan basil penelitian ill dapat dikembangkan untukmendapatkan bahan lapisan tipis SiN sebagai lapisananti refleksi dan penyekat antara TCO dengan udarayang akan meneruskan cahaya tanpa dipantulkan danakan menurunkan konduktivitas lapisan TCO.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Pada Garnbar 1 disajikan prosentase transrnitansi

143

Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

sebagai fungsi campuran gas N. Semakin banyakcampuran gas N transmitansi lapisan tipis SiN semakintinggi, hat ini disebabkan karena silikon merupakan zatpadat yang mempunyai sifat memantulkan cahaya.Dengan bertambahnya campuran gas N (pertambahanflow-rate) maka mean free path daTi ion-ion AT dalamperjalanannya menuju target Si akan berkurang, sehinggaakan mengasilkan sputter rate Si yang lebih kecil. Olehkarenanya sebagian besar daTi lapisan tipis SiN yangterbentuk di alas substrat terdiTi dari unsur N, sedangkanunsur Si semakin berkurang yang pada akhirnya efekpemantulan cahaya akan makin menurun. Penurunan efekpemantulan daTi unsur Si akan semakin menaikkantransmitansi lapisan tipis SiN. Peningkatan prosentasetransmitansi ini disatu pihak akan menghilangkan efekpantulan tetapi dilain pihak menurunkan daya sekat yaitumemisahkan an tara medium udara dengan lapisan yangdilindungi akan berkurang.

Suatu logam mempunyai sifat memantulkan(refelektivitas) yang tergantung pacta respon frekuensi

jenis logamnya dan juga tergantung pacta kekasaran

permukaan [2,3]. Cahaya yang mengenai permukaansuatu logam akan direfleksikanjika kedalaman rata-ratadan ketidak teraturan permukaan reflektor jauh lebih kecildaTi pacta panjang gelombang cahaya yang datangTransmitansi dari lapisan tipis SiN menurun tetapi dayasekat antara udara dengan lapisan tipis yang dilindungiyaitu ZnOAl akan semakin baik.

88

87

85

93

91

89

87

~~""

~co~E(/)co

~

""

~~-I

..Seres 199

~

lcs"EIi)c~

~

jarak elektroda (cm)

Gambar 3. Prosentase transmitan sebagai fungsi jarakelektroda95

.)'"

93

~

Pada Gambar 2 disajikan grafik transmitansisebagai fungsi daTi daya RF (pada grafik untuk kacatanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin besar daya RFmaka kerapatan ion plasma akan semakin tinggi [6].Dengan demikian .sputter-rate akan meningkat. Denganwaktu deposisi daD jarak elektroda tetap, maka basilsputtering akan semakin naik yang akhimya menambahketebalan lapisan tipis SiN. Dengan bertamhnyaketebalan lapisan tipis SiN tersebut maka prosentasetransmitannya akan menurun. Penurunan ini terutamadisebabkan karena dengan bertambahnya ketebalanlapisan tipis maka refleksi dari unsur Si akan meningkat.

Pada Gambar 3 disajikan grafik hubungan antaraprosentase transmitansi dengan jarak elektroda (padagrafik kaca tanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin dekatelektroda maka medan listrik yang dihasilkan olehperbedaan tegangan katoda-anoda akan semakinmeningkat. Peningkatan medan listrik ini akanmemperbesar tenaga ion-ion Argon yang menembakitarget Si. Dengan waktu deposisi, tekanan gas dantegangan yang sarna maka akan meningkatkan derajationisasi dari plasma, kerapatan plasma bertambah, jumlahion yang menembaki target akan meningkat. Peningkatanini akan menambah ketebalan lapisan tipis SiN.Peningkatan ketebalan ini menyebabkan unsur yangmemantulkan cahaya semakin banyak, sehinggaprosentase transmitansinya akan menumn.

Untuk jarak yang terlalu dekat maka terjadikejenuhan, menumnkan mean-tree-path, sehinggapercikan yang dihasilkan bahkan tidak bertambah(konstan). Pada akhirnya ketebalan lapisan tipis yangterbentuk juga konstan, demikian juga transmitansinya.

Pada Gambar 4 disajikan grafik peningkatantahanan ZnOAl tanpa lapisan tipis dan dengan lapisantipis SiN sebagai fungsi waktu. Untuk lapisan tipisZnOAl tanpa lapisan tipis pelindung SiN tahanannyasemakin lama akan semakin meningkat dengan waktu.Peningkatan ini disebabkan karena pengamh oksigenyang mengenai permukaan lapisan tipis kemudianmenyisip diantara atom Zn dan O. Peningkatan tahananini akan mencapai kejenuhan karena susunan atom ZnOyang sudah penuh (bahan ZnO mempunyai sifat nonstoikiometri), sehingga unsur oksigen tidak dapat lagimenyisip pada susunan atom ZnO. Untuk lapisan tipis

lc:'"~EInc:

~

Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Rejleksi dan Penyekat Udara Pada Sel Surya (Trimardji Atmono)

ZnO yang dideposisi dengan lapisan tipis SiN yangmempunyai transmitan kecil (prosentase yang besar datiunsur Si), tahanan ZnO terlihat stabil. Hal ini disebabkankarena udara di sekitar lapisan tipis tidak mampumenembus lapisan tipis SiN dengan ketebalan yangoptimal, sehingga SiN-layer mampu memisahkan antaraudara dengan lapisan tipis ZnOAl. Tetapi untuk lapisantipis SiN yang mengandung unsur N yang berlebihan(prosentase Si kecil), maka udara yang mengandungoksigen masih mampu menembus lapisan tipis SiN.Dengan demikian sebagian unsur 0 dapat menembusdaD menyisip pada susunan atom ZoO. Hal inimenyebabkan tahanan lapisan tipis ZnOAl akan naikdati nilai semula 1.210 olun menjadi 1.218 olun. Lapisantipis SiN yang demikian ini mempunyai transmitan yangcukup tinggi, meskipun tidak bersifat sebagai penyekat

yang optimal.

---4~

""1550 ...E.r:..£.cII!CII!.r:.~

--

1450

.,-/

1350/

1250

mengandung un sur Si. Pada Gambar 5. disajikanspektrum tenaga dari Si pada substrat kaca (tanpa lapisantipis) yaitu pada 1.763,02 keY; prosentase unsur Simencapai 61 %.

Untuk mengetahui prosentase lapisan tipis SiNyang terdeposisi pada substrat dibuat substrat standardaTi bahan mumi daTi Si. kemudian diamati cacahnya.UnsurSi terletakpadatenaga 1.753,54keV danNpada523,94 ke V Dengan membandingkan cacah dari bahanstandar daD lapisan tipis SiN maka dapat diketahuiprosentasekandungan Si 4,4 %danN. 2,5% Spektmmdari lapisan tipis SiN disajikan pada Gambar 6.

~. 1b~1 ~~,,~, n 1.~.S *~.~I.,.JAZ tji. 31 ..

~~~:I. ,. :iic,... Z, 1\C"tl .J " J ..r TIi~i.~ ; ~~ ~~;:'~::'.." :::

ro :t~"-'.". ,/C.l, I~ :::' ::'..:' ::.:::'.,. .;'t ~. ...~,,~ ~ ., ,., ..,.

~...1 ;:T'~~~~~:~i~~ Tenaga (keV)

Gamba,. 6. Spektrum daTi tenaga pada unsur SiN pada.tubstrat kaca/1150

350 KESIMPULAN

Melalui proses sputtering menggunakan targetSi, sputter gas Argon serta aliran gas nitrogen, telahterbentuk lapisan tipis SiN dengan proses reaktiv, yangberfungsi sebagai lapisan anti refleksi dan penyekatterhadap udara dari sel surra ZnOAl. SiN-layer yangoptimal pada substrat adalah daTi lapisan dengankandungan Si daD N masing-masing sebesar 4,4 % daD2,5 %.berat atom. Dengan naiknyakandungan unsur N,tampaknya transmitan semakin tinggi tetapi kemampuandaya sekatnya cenderung menurun. Peningkatan dayaRF akan menurunkan transmitan lapisan tipis dari 98 %menjadi 94 %, pertambahan jarak elektroda akanmenurunkan transmitansi. Tahanan lapisan tipis ZnOAlmengalami peningkatan tahanan sebsar 48 % sedangkanZnOAl/SiN hanya mengalami peningkatan tahanansebesarO,6 % dari 1.210 ohmmenjadi 1.218 ohm.

Lapisan tipis SiN yang tepat untuk aplikasi iniadalah thin films yang mempunyai prosentasetransmitansi tinggi tetapi mempunyai daya sekat yangbaik. Untuk mendapatkan lapisan tipis yang demikian,sangat bergantung dari senyawa campuran unsur NdaD Si. Untuk mengetahui unsuryang terdeposisi padasubstrat kaca maka lapisan tipis yang yang terdeposisipada substrat kaca diamati dengan APNC.(AnalisaPengatipan Netron Cepat) Pengamatan dilakukansebelum daD sesudah substrat kaca dideposisi denganlapisan tipis, karena sebagian besar substrat kaca

UCAPAN TERIMA KASm

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr.Giri Slamet yang telah membuat lapisan tipis SiN, Sdri.IT Elin Nuraini dan Sunardi SE unt1Jk pengukuran APNC,serta Sdri. Endang Nawangsih AMd yang telahmengukur transmitansi.

i3, ,...nrRS/,.,1 !1:'0'" 2i1I.&"j ~ 2i1 ..:1X~ ~. tZl~ $" CI.~Ol .~

.(~" II) I :{.~. ,r 1O1A:.; . '~~I .~:. :.1;01 ,31 j:;' ,,;

'~' j~ ~ii;,;;',:', ":",,, ,;;;,~..., g.S.. , "~""'""",:S'~'J'. ,Z~'" "'.~- ~,.~,"~ ", '."".! '( '.. """'" "».":r,'~-' ,." ,'.;~,~ ,~ ~.""'. ~ "'" .;; ,,;- ~,,~, "

~~l_~~'~~~;;;t;{,'I U-~ Tenaga (keV)

Gambar 5, Spektrum daTi tenaga unsur Si pada substratkaca tanpa lapisan tipis

145

Prosiding Pertemuan l1miah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

DAFTARPUSTAKA

rl1.

[2].

[3].

[4].

[5],

TADATSUGU MINAMI, HIDEO SONOHARA,SHINZO TAKATA, ICHIRO FUKUDA,Lowtemperature fomIation of textured ZnO transparentelectrodes by magnetron sputtering, J. Vac. Sci.Technol, A 13(3), (1995)H. OECHSNER Sputtering a review of some recentexperimental and theoretical aspect, Appl Phys, 8

(185), (2000)K. TAKA HASffi, M. KONAGAL4morphou.sSilicon Solar Cells, North Oxford Academic,

(1999).J MORT, F JONSON, Plasma Deposited Thin Film,CRC Press Inc. Florida, (1985).LAWRENCE H., VAN VALACK, Ilmu danTeknologi Bahan, Penerbit Erlangga, Jakarta,

(1991).V DAUDRIX, C DROZ, N WYRSC, Y ZIEGLER, XNIQUILE, A SHAH, De\'olepment of more .stableamorphous silicon thin.li 1m solar cells deposistedmoderately high temperatue, Institute deMicrotehnique, Universite de Neuchatel, (2000).

[6J

146