science world · this is college

Tentang Tesis Saya #2 (CZTS Solar Cell)

Di postingan ini dan postingan-postingan berikutnya saya akan membahas beberapa hal yang saya ketahui dan pelajari tentang CZTS solar cell, mulai dari latar belakang, proses pembuatan, hingga karakterisasi. Selamat menyimak!

Sekilas tentang CIGS solar cell

Salah satu sel surya film tipis (thin-film solar cell) yang telah diproduksi dan dikomersialkan adalah CIGS solar cell. CIGS merupakan quaternary compound yang terdiri atas Cu, In, Ga, dan Se, yang mana In (indium) merupakan elemen yang cukup dan akan semakin langka seiring peningkatan permintaannya di dunia industri. Indium banyak digunakan di industri monitor LCD dan merupakan elemen utama coating material. Gambar di bawah menunjukkan tingkat kelimpahan dan kelangkaan beberapa elemen di kerak bumi. Bisa dilihat, indium berada dalam tingkat yang perlu diwaspadai akibat tingginya permintaan di industri.

2000px-elemental_abundances-svg
sumber gambar: googling. Maaff saya lupa sumbernya >.<

Di samping itu, dalam proses pembuatannya, CIGS memerlukan CdS (cadmium sulfide) sebagai n-type semiconductor. CdS merupakan bahan yang sangat toksik (saya pernah tak sengaja mencium ketika meracik larutan tersebut dan langsung minum susu tapi tetep aja masih pusing setengah harian, hehehe) sehingga posisinya sebagai buffer layer perlu digantikan oleh material lain yang lebih ramah lingkungan dan tidak berbahaya. Oleh karena itu, banyak ilmuwan di dunia mulai mencari alternatif lain yang bisa menggantikan CIGS, dan CZTS adalah salah satu kandidat terkuatnya.

tf-global-solar
CIGS solar cell di substrat fleksibel (sumber: http://buildingpowerdistribution.com/wp-content/uploads/2014/10/tf-global-solar.jpg)

CZTS Solar Cell

CZTS ini bisa dibilang adik dari CIGS, karena hampir semua karakteristiknya mirip satu sama lain; misalnya koefisien absoprsi yang sama-sama bernilai sekitar 10-4 cm-1, sama-sama merupakan semikondutor tipe-p dengan bandgap yang bisa diubah-ubah antara 1 – 1.5 eV, memiliki struktur kristal yang hampir serupa, dan struktur device yang digunakan pun persis sama. Perbedaannya hanyalah penempatan elemen seng (Zn) dan tin (Sn) sebagai ganti indium dan gallium. Elemen seng dan tin ini lebih berlimpah ketersediannya di bumi (earth abundant) dibanding indium dan gallium, sehingga prospek CZTS sebagai sumber energi terbarukan lebih didorong untuk produksi massal ke depannya, tentu saja jika efisiensinya sudah relatif lebih baik.

untitled
Struktur CZTS solar cell (sumber: googling >.<)

Struktur device CZTS solar cell

Sama seperti solar cell film tipis lainnya yang memiliki struktur device yang sangat kompleks, CZTS pun begitu. Struktur full device dari sebuah CZTS solar cell terdiri atas (secara berurutan dari lapisan paling bawah ke lapisan paling atas):

  1. Substrate

Ada beberapa material yang bisa digunakan sebagai substrat, namun yang paling lazim digunakan adalah molybdenum (Mo). Molybdenum dipilih sebagai substrat karena beberapa alasan, di antaranya: harganya yang murah, proses produksinya yang mudah, koefisien muai termalnya bersesuaian dengan koefisien muai termal CZTS, dan memiliki reflektivitas yang baik. Keempat faktor ini mungkin terdengar sepele namun sangat penting. Harga yang murah tentu saja lebih diinginkan jika kita ingin memproduksi solar cell secara massal, demi menekan production cost, dan juga demi kesebandingan production cost dengan output power. Proses produksi yang mudah juga diinginkan terkait dengan production cost. Lebih dari itu, proses produksi yang rumit dan kompleks akan membutuhkan energi yang besar. Hal ini tentu saja tidak diinginkan. Bayangkan, goal kita adalah penghematan energi tak-terbarukan dan mengalihkannya dengan energi terbarukan. Akan sangat tidak masuk akal jika inginnya memproduksi solar cell tapi dalam proses produksinya menghabiskan banyak listrik bukan?

Seperti inilah rupa substrat yang saya pakai. Jadi soda lime glass (SLG) yang salah satu permukaannya dilapisi oleh molybdenum, atau disebut juga Mo-coated glass. Mo-coated glass ini sudah banyak dijual di pasaran. Bisa sih kita siapkan sendiri dengan metode sputter deposition misalnya, tapi jauh lebih hemat kalo beli jadinya saja πŸ˜€

molybdenum-coated-glass-slides-500x500
sumber: http://4.imimg.com/data4/OM/KT/MY-4296741/molybdenum-coated-glass-slides-500×500.jpg
  1. Intermediate layer

Nah saya kerja di sini nih. Pada CZTS, lokasi kontak antara molybdenum back contact dengan CZTS bersifat sangat tidak stabil secara kimiwai (chemically unstable) dengan membentuk MoS2 atau MoSe2 yang sangat merugikan dan dapat menurunkan efisiensi. MoS2 atau MoSe2 ini merupakan semikonduktor tipe-n, sedangkan kita sangat tidak menginginkan adanya tipe-n di bagian ini, karena bisa menimbulkan back-to-back effect dari proton yang harusnya mengalir ke back contact. Nah, untuk mengatasi hal ini, beberapa ilmuwan mencoba mengganti substrate dengan material lain selain molybdenum, namun hingga saat ini belum ada yang bisa mengalahkan performa molybdenum. Solusi lainnya adalah dengan menyisipkan material lain yang dapat menghambat atau paling tidak meminimalisir pembentukan MoS2 atau MoSe2. Sudah banyak material yang dicoba sebagai intermediate layer, dan hampir kesemuanya menunjukkan efek yang cukup signifikan dalam meminimalisir efek yang tidak diinginkan tersebut, sekaligus meningkatkan efisiensi solar cell secara keseluruhan, di antaranya adalah TiN, TiB2, ZnO, dll. Penelitian saya sendiri yang sudah berhasil adalah menggunakan MoO3 sebagai intermediate layer. Kalo yang sudah dicoba tapi gagal? Banyak πŸ˜† namanya juga penelitian. Jatuh-bangun ya wajar kan ya πŸ˜€

struktur-kristal
Struktur kristal CZTS *sumber: gambar dewe πŸ˜€
  1. CZTS/Se absorber

Ini dia tokoh utamanya. P-type absorber merupakan lapisan yang akan menyerap sebagian besar spektrum cahaya dan membangkitkan muatan listrik positif (proton) sebagai hasilnya. Agar mendapatkan hasil yang maksimal, suatu bahan yang menjadi absorber haruslah memiliki bandgap antara 1 – 1.5 eV, karena pada daerah itulah terletak spektrum cahaya tampak yang optimum. CZTSSe merupakan singkatan dari Cu2ZnSn(S,Se)4 dan merupakan quaternary compound berstruktur kristal kesterite. CZTSSe memiliki koefisien absorpsi yang tinggi sehingga dengan ketebalan berorde mikrometer saja sudah dapat memberi hasil yang optimal. Mengapa kadang saya menulis CZTS kadang CZTSSe? Karena elemen sulfur (S) dan selenium (Se) dapat saling menggantikan dan juga saling melengkapi. Jadi, kalo kita menggunakan pure sulfur, ya namanya CZTS. Kalo pure selenium, namanya CZTSe. Sedangkan gabungan dari keduanya disebut CZTSSe.

  1. CdS buffer layer

Solar cell adalah sebuah device yang memiliki komponen n dan p, sehingga jika kita sudah memiliki CZTSSe sebagai p-type, maka kita membutuhkan material lain sebagai n-type sebagai pemasok muatan listrik negatif (elektron), dan di sinilah letak peran cadmium sulfide (CdS).

  1. i-ZnO/ITO window layer

Di atas buffer layer, intrinsic ZnO dibutuhkan untuk meningkatkan coverage, atau menutupi hole-hole. Sedangkan fungsi indium-doped tin oxide (ITO) adalah sebagai transparent conducting oxide (TCO). Sebenarnya ada beberapa TCO lainnya yang bisa digunakan, seperti aluminum-doped zinc oxide (AZO), indium-doped zinc oxide (IZO), dll. i-ZnO dan ITO sebagai window layer haruslah merupakan semikonduktor tipe-n dengan bandgap lebih besar daripada bandgap absorber, agar bisa menyerap foton-foton cahaya dengan energi yang lebih besar, seperti sinar UV.

  1. Top electrode

Sebagai top electrode, material perak (Ag), platina (Pt), emas (Au) dapat digunakan.

  1. MgF2 antireflection coating

Untuk meningkatkan absorpsi solar cell, lapisan antireflection seringkali digunakan. Kita ingin sebanyak mungkin foton yang bisa diserap kan? Karena semakin banyak foton yang diserap, akan semakin banyak pula pasangan hole-elektron yang dibangkitkan dalam semikonduktor. Setelah diberi antireflection coating, warna device akan menjadi lebih gelap, yang menandakan semakin sedikit cahaya dipantulkan. Namun, antireflection coating tidak boleh terlalu tebal, sebab umumnya material coating memiliki bandgap yang besar sehingga hampir bersifat seperti isolator.

Nah begitulah struktur device dari CZTS atau CZTSSe solar cell. Sebenarnya struktur wajibnya adalah nomor 1 – 6 saja, setelah no 1 – 6 terpenuhi, device kita sudah bisa mengkonversi sinar matahari menjadi arus listrik. Nomor 7 merupakan elemen tambahan untuk meningkatkan performa saja.

Penulis menyadari bahwa postingan ini masih sangat kurang, karenanya jika ke depannya penulis merasa ada yang perlu dibahas juga, akan penulis tambahkan kemudian. Jika ada saran ataupun masukan, sila isikan di kolom komentar. Selamat menyimak bab-bab berikutnyaaa πŸ˜€

 

Iklan

One thought on “Tentang Tesis Saya #2 (CZTS Solar Cell)

**Silakan Berkomentar~! ^.^

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s