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.
