Sel Surya Perovskite Berbasis Semikonduktor
Oksida: TiO2, ZnO, S-ZnO dan Se-ZnO
oleh
Dr. Ari Sulistyo Rini, S.Si, M.Sc
i
MONOGRAF
Sel Surya Perovskite Berbasis Semikonduktor
Oksida: TiO2, ZnO, S-ZnO dan Se-ZnO
Dr. Ari Sulistyo Rini, S.Si, M.Sc
Penerbit
UR Press Pekanbaru
2020
ii
SEL SURYA PEROVSKITE BERBASIS
SEMIKONDUKTOR OKSIDA: TiO2,
ZnO, S-ZnO dan Se-ZnO
Penulis : Dr. Ari Sulistyo Rini, S.Si, M.Sc
Editor : Yolanda Rati, S.Si
Diterbitkan oleh
Ukuran buku: 15,5 cm x 23 cm
Alamat Penerbit:
Hak Cipta dilindungi Undang-undang
Dilarang mengutip atau memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku ini
tanpa izin tertulis dari penulis.
Isi diluar tanggung jawab percetakan.
Cetakan Pertama:
ISBN
iii
Undang-undang Nomor 19 Tahun 2002, tentang Hak Cipta
PASAL 2
(1) Hak Cipta merupakan hak eksekutif bagi Pencipta dan Pemegang Hak Cipta untuk
mengumumkan atau memperbanyak ciptaanya, yang timbul secara otomatis
setelah suatu ciptaan dilahirkan tanpa mengurangi pembatasan menurut
perundang-undangan yang berlaku.
PASAL 72
(1) Barang siapa dengan sengaja dan tanpa hak melakukan perbuatan
sebagaimana dimaksud dalam Pasal 2 ayat (1) atau Pasal 49 ayat (1) dan
ayat (2) dipidana penjara masing-masing paling singkat 1 (satu) bulan
dan/atau denda paling sedikit Rp. 1.000.000,00 (Satu Juta Rupiah), atau
paling lama 7 (tujuh) tahun dan/atau denda paling banyak Rp.
5.000.000.000,00 (Lima Miliar Rupiah).
(2) Barang siapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan,
atau menjual kepada umum suatu Ciptaan atau barang hasil pelanggaran
Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaima dimaksud pada ayat (1) dipidana
dengan pidana penjara palaing lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling
banyak Rp. 500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).
iv
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum wr.wb.
Puji syukur Alhamdulillah atas kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat, hidayah dan karunia-Nya kepada penulis untuk
menyelesaikan penulisan buku monograf dengan judul Sel Surya Perovskite
Berbasis Semikonduktor Oksida: TiO2, ZnO, S-ZnO dan Se-ZnO. Penulis
mengucapkan terimakasih kepada mitra kerjasama penelitian Prof. Dr.
Akrajas Ali Umar dan mahasiswa tugas akhir Jurusan Fisika S-1 Universitas
Riau tahun 2018 hingga tahun 2020 yang bernama Mahagi Putra Deraf,
Yolanda Rati dan Miranti Agustin. Buku monograf ini memaparkan hasil
penelitian penulis bersama tim peneliti kolaborasi dengan Institute
Microengineering and Nanoelectronics (IMEN), Universiti Kebangsaan
Malaysia. Topik yang dibahas dalam buku ini adalah penerapan
semikonduktor oksida yang disintesis menjadi lapisan tipis berstruktur nano.
Bahan tersebut selanjutnya diaplikasikan sebagai material pentranspor
elektron dalam sel surya perovskite yang betujuan dalam peningkatan
efisiensi kinerja sel. Materi buku ini terbagi kedalam 3 bagian, yaitu bagian
pendahuluan berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan dan manfaat
penelitian. Selanjutnya bagian isi membahas tentang teori dasar dan metode
penelitian. Bagian akhir menampilkan hasil dan pembahasan mengenai sifat
fisis sampel beserta kinerjanya terhadap sel surya perovskite.
Buku Monograf ini diharapkan dapat menjadi referensi bagi
akademisi dan praktisi serta memberikan pengetahuan kepada pembaca
terutama bidang nanomaterial. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan
terima kasih atas bantuan berbagai pihak mulai dari proses penyusunan
hingga penerbitan buku monograf ini. Semoga buku monograf ini dapat
v
mempermudah pembaca dalam memahami penerapan semikonduktor oksida
yang disintesis menjadi lapisan tipis berstruktur nano dan dapat diaplikasikan
pada sel surya perovskite.
Pekanbaru, 20 Agustus 2020
Penulis
vi
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................. v
DAFTAR GAMBAR ................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ...................................................................................... xii
1 PENDAHULUAN .................................................................................... 1
2 SEL SURYA PEROVSKITE .................................................................. 5
Pendahuluan ....................................................................................... 5
Material Penyusun ............................................................................. 5
Prinsip Kerja ...................................................................................... 8
Semikonduktor Oksida sebagai Electron transport Material ............ 9
2.4.1 Titanium Dioksida (TiO2) ............................................................ 9
2.4.2 Seng Oksida (ZnO) .................................................................... 11
Karakteristik I-V Sel Surya .............................................................. 15
3 DEPOSISI FASA CAIR TiO2 SEBAGAI ETL PADA PSC .............. 18
Pendahuluan ..................................................................................... 18
Proses Sintesis dan Deposisi TiO2 Sebagai ETL ............................. 20
Struktur Kristal................................................................................. 21
Morfologi Permukaan ...................................................................... 23
Sifat Optik ........................................................................................ 26
4 Seed-Mediated Hidrotermal Sintesis Nanorod ZnO, S-ZnO dan SeZnO Sebagai ETM ..................................................................................... 30
Pendahuluan ..................................................................................... 30
Proses Sintesis dan Deposisi ZnO Murni, S-ZnO dan Se-ZnO ....... 32
Struktur Kristal................................................................................. 36
4.3.1 ZnO dan S-ZnO.......................................................................... 36
4.3.2 ZnO dan Se-ZnO ........................................................................ 39
Morfologi Permukaan ...................................................................... 43
4.4.1 ZnO dan S-ZnO.......................................................................... 43
vii
4.4.2 ZnO dan Se-ZnO ........................................................................ 49
Sifat Optik ........................................................................................ 52
4.5.1 ZnO dan S-ZnO.......................................................................... 52
4.5.2 ZnO dan Se-ZnO ........................................................................ 56
5 Aplikasi Semikonduktor Oksida pada PSC ........................................ 61
Fabrikasi Sel Surya Perovskite ........................................................ 61
5.1.1 Sintesis dan Deposisi Material Perovskite ................................. 61
5.1.2 Sintesis dan Deposisi Hole Transport Material ......................... 62
5.1.3 Pembuatan Elektroda Logam ..................................................... 63
Pengujian Kinerja Sel ...................................................................... 63
Penentuan Fill Factor (FF) dan Efisiensi ........................................ 64
Kinerja PSC Berbasis Semikonduktor Oksida ................................. 64
5.4.1 TiO2 ............................................................................................ 64
5.4.2 ZnO dan S-ZnO.......................................................................... 67
5.4.3 ZnO dan Se-ZnO ........................................................................ 70
6 PENUTUP ............................................................................................... 73
Kesimpulan ...................................................................................... 73
Saran ................................................................................................ 74
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 75
INDEX ........................................................................................................ 86
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Susunan Piranti PSC
6
Gambar 2.2
Struktur Kristal Perovskite
7
Gambar 2.3
Skema Diagram Tingkat Energi
8
Gambar 2.4
Struktur TiO2 (a) Rutil (b) Anatase (c) Brookit
10
Gambar 2.5
Struktur kristal ZnO (a)Wurtzite, (b) Zinc Blend dan
(c) Rocksalt
12
Gambar 2.6
Kurva I-V pada sel surya
16
Gambar 3.1
Proses pembuatan larutan penumbuh TiO2
20
Gambar 3.2
Proses penumbuhan TiO2 dengan variasi waktu
penumbuhan
21
Gambar 3.3
Pola XRD material TiO2 (*FTO)
22
Gambar 3.4
Foto FESEM sampel TiO2 dengan variasi waktu
penumbuhan TiO2
24
Gambar 3.5
Foto FESEM sampel T2-0 dengan perbesaran 50.000X
25
Gambar 3.6
Spektrum EDX dan persentase berat TiO2 dengan
waktu penumbuhan selama 2 jam (T2-0)
25
Gambar 3.7
Kurva spektrum penyerapan UV-Vis dari sampel TiO2
dengan variasi waktu penumbuhan
26
Gambar 3.8
Penentuan energi celah pita energi (A) T2-0, (B) T2-1,
(C) T2-2, (D) T2-3, (E) T2-4
28
Gambar 4.1
Proses pembuatan larutan pembenih
32
Gambar 4.2
Skema pembenihan ZnO
33
Gambar 4.3
Proses pembuatan larutan penumbuh
34
ix
Gambar 4.4
Proses pembuatan larutan pen-doping
34
Gambar 4.5
Proses penambahan larutan pen-doping Se
35
Gambar 4.6
Proses penumbuhan S-ZnO dan Se-ZnO
35
Gambar 4.7
Pola XRD sampel ZnO murni dan S-ZnO
36
Gambar 4.8
Pola XRD sampel ZnO murni dan S-ZnO pada bidang
(002)
38
Gambar 4.9
Pola XRD ZnO murni dan Se-ZnO
40
Gambar 4.10
Pola difraksi sinar-X ZnO murni dan di-doping Se
pada bidang orientasi (002)
41
Gambar 4.11
Foto FESEM beserta histogram ukuran diameter
nanorod ZnO murni dan S-ZnO variasi doping S
dengan perbesaran 50.000X, skala 1 nm
45
Gambar 4.12
Spektrum EDX dari sampel (A) ZnO murni, (B) S-1%
(C) S-2,5%, (D) S-5% dan (E) S-10%
47
Gambar 4.13
Foto FESEM nanorod ZnO murni dan Se-ZnO dengan
perbesaran 30.000 kali (skala: 200 nm).
49
Gambar 4.14
Spektrum EDX sampel (a) ZnO Pure (b) Se 0,025 mL
(c) Se 0,05 mL (d) Se 0,1 mL (e) Se 0,2 mL
51
Gambar 4.15
Spektrum absorbansi UV-Vis lapisan tipis ZnO murni
dan S-ZnO
53
Gambar 4.16
Spektrum reflektansi UV-Vis lapisan tipis ZnO murni
dan S-ZnO
54
Gambar 4.17
Kurva hasil ekstrapolasi (αhυ)2 vs (hυ) lapisan tipis SZnO dengan Variasi Persentase Doping S
55
Gambar 4.18
Spektrum absorpsi UV-Vis pada sampel ZnO pure dan
Se-ZnO
57
x
Gambar 4.19
Spektrum reflektansi UV-Vis pada sampel ZnO pure
dan Se-ZnO
58
Gambar 4.20
Energi gap (a) ZnO Pure (b) Se 0,025 mL (c) Se 0,05
mL (d) Se 0,1 mL (e) Se 0,2 mL
59
Gambar 5.1
Proses sintesis dan deposisi perovskite
62
Gambar 5.2
Proses sintesis dan deposisi lapisan HTM
63
Gambar 5.3
Rangkaian sel surya perovskite saat pengujian I-V
64
Gambar 5.4
Kurva I-V dalam keadaan gelap dari sel surya
perovskite dengan variasi waktu penumbuhan TiO2
65
Gambar 5.5
Kurva J-V ketika disinari cahaya dari sel surya
perovskite dengan variasi waktu penumbuhan TiO2
66
Gambar 5.6
Kurva J-V dalam keadaan gelap dari sel surya
perovskite S-ZnO
68
Gambar 5.7
Kurva J-V dalam keadaan terang sel surya perovskite
S-ZnO
69
Gambar 5.8
Kurva J-V dalam keadaaan gelap dari sel surya
perovskite Se-ZnO
70
Gambar 5.9
Kurva J-V dalam keadaan terang sel surya perovskite
Se-ZnO
71
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Sifat dasar unsur sulfur
13
Tabel 3.1
Nilai FWHM dan ukuran kristal sampel T2-0 dan T2-4
23
Tabel 3.2
Celah pita energi TiO2 dengan variasi waktu
penumbuhan
29
Tabel 4.1
Nilai FWHM dan ukuran kristal dari sampel ZnO murni
dan S-ZnO
39
Tabel 4.2
Puncak difraksi pada ZnO murni dan di-doping selenium
41
Tabel 4.3
Parameter kisi, nilai FWHM dan ukuran kristal sampel
ZnO pure dan Se-ZnO pada puncak difraksi (002)
42
Tabel 4.4
Persentase berat komponen penyusun sampel ZnO murni
dan S-ZnO
47
Tabel 4.5
Persentase atom komponen penyusun sampel ZnO murni
dan S-ZnO
48
Tabel 4.6
Diameter nanorod ZnO pure dan Se-ZnO
50
Tabel 4.7
Persentase atom dari unsur-unsur yang terkandung dalam
sampel ZnO pure dan Se-ZnO
52
Tabel 4.8
Energi gap dari sampel ZnO murni dan S-ZnO
56
Tabel 4.9
Energi gap ZnO pure dan Se-ZnO
60
Tabel 5.1
Data pengukuran dan perhitungan sel surya perovskite
berbasis TiO2 dengan variasi waktu penumbuhan
66
Tabel 5.2
Data hasil pengukuran dan perhitungan PSC berbasis SZnO
69
Tabel 5.3
Hasil data pengukuran dan perhitungan PSC pada SeZnO
71
xii
1
PENDAHULUAN
Sel surya telah mengalami perkembangan yang cukup pesat akibat upaya
peningkatan efisiensi, proses sintesis yang sederhana serta pengoptimalan
biaya produksinya. Pengembangan sel surya hingga saat ini telah mencapai
empat generasi. Generasi pertama adalah sel surya berbasis silikon kristal
tunggal dan multikristalin yang memiliki efisiensi 24% (Green dkk., 2018)
namun biaya produksi yang sangat mahal menyebabkan sel surya ini tidak
efektif digunakan sumber energi alternatif. Sel surya generasi kedua muncul
untuk mengatasi kelemahan dari generasi pertama dengan teknologi lapisan
tipis yang dibuat hanya beberapa mikrometer atau memakai kurang dari 1%
bahan silikon (Ranabhat dkk., 2016). Selain sel surya konvensional berbasis
silikon, terdapat sel surya dengan nanoteknologi yang disebut sebagai sel
surya tersensitisasi pewarna atau Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)
(O’Regan dan Gratzelt, 1991). Meskipun pembuatannya cukup sederhana
dengan biaya produksi murah, efisiensi yang dicapai oleh sel surya ini masih
terbilang rendah yaitu hanya 13% (Mathew dkk., 2014). Hal ini disebabkan
karena pewarna dye yang rentan terhadap terjadinya pemutihan (Zhou dkk.,
2018).
Sel surya generasi terakhir adalah sel surya berbahan aktif material
hibrida halida organik-anorganik berstruktur perovskite yang merupakan
pengembangan dari DSSC. Bahan perovskite disini berperan sebagai
penyerap cahaya pengganti dye dan elektrolit cair. Sel surya perovskite atau
yang dikenal sebagai PSC (Perovskite Solar Cells) telah mengalami
perkembangan yang cukup signifikan dalam hal peningkatan efisiensi dari
3,8% (Kojima dkk., 2009) hingga 22,1% (Yang dkk., 2017). Selain itu, bahan
dan biaya produksi yang murah serta fabrikasi yang terbilang mudah menarik
banyak minat para peneliti untuk terus melakukan penelitian agar
memperoleh efisiensi yang tinggi.
Material pernyusun sel surya perovskite terdiri dari Transparent
Conducting Oxide (TCO), material pentranspor elektron (electron transport
material, ETM), bahan perovskite (penyerap), material pentranspor lubang
1
(hole transport material, HTM) dan elektroda lawan. Salah satu bagian yang
berperan penting untuk meningkatkan kinerja PSC adalah ETM. Bahan ini
biasanya berasal dari semikonduktor oksida, seperti TiO2 dan ZnO.
TiO2 (Titanium dioksida) merupakan bahan pentranspor elektron yang
paling banyak digunakan dan bertugas untuk menghantarkan elektron yang
diperoleh dari lapisan perovskite. Di sisi lain, TiO2 juga berperan sebagai
lapisan penghalang untuk menghindari kontak langsung antara lubang (hole)
dengan FTO. Sejauh ini, teknik penyediaan TiO2 dilakukan menggunakan
metoda hidrotermal atau sol-gel dari berbagai jenis prekursor dan kemudian
dilanjutkan dengan pelapisan/deposisi TiO2 ke atas substrat (berupa kaca
konduktif) menggunakan metode spin-coating. Dalam banyak kasus,
diperlukan waktu yang cukup lama untuk mencapai kristalisasi titania yang
diinginkan. Metoda deposisi fasa cair merupakan metoda sintesis yang cepat,
hemat energi dan efisien. Selain itu, metode deposisi fasa cair memiliki
keunggulan dimana teknik ini dapat dilakukan di bawah kondisi atmosfer
pada suhu kamar yang tidak menggunakan peralatan khusus apa pun
(Guti´errez-Tauste dkk., 2007). Sintesis dan deposisi material TiO2 dilakukan
secara in-situ di atas substrat konduktif (fluorine-doped tin oxide, FTO)
menggunakan metode deposisi fasa cair dan diaplikasikan sebagai material
pentranspor elektron pada PSC.
Selain TiO2, juga digunakan ZnO (Zink Oxide) sebagai ETM pada PSC.
Hal ini dikarenakan TiO2 dalam proses annealing-nya masih memerlukan
suhu tinggi (400℃ hingga 700℃) untuk mencapai fasa kristalin yang
diinginkan (Buraso dkk., 2018). Penelitian selanjutnya difokuskan pada
penggunaan suhu yang rendah menggunakan bahan ZnO dengan proses
sintesis yang lebih sederhana. ZnO termasuk semikonduktor golongan II-VI
dengan energi gap ~3,37 eV yang memiliki sifat transparasi dan mobilitas
elektron tinggi (Bauer dkk., 2001). Selain itu, ZnO banyak ditemukan dialam,
mempunyai cacat yang rendah (Thangavel dan Chang, 2012) serta dapat
difabrikasi dalam berbagai bentuk nanostruktur.
PSC berbasis ZnO ditemukan memiliki efisiensi yang terbilang rendah.
Hal ini dikarenakan semikonduktor ZnO dengan fase tunggal mudah terjadi
rekombinasi pembawa muatan secara cepat (Jia dkk., 2013). Oleh karena itu,
penelitian selanjutnya difokuskan pada modifikasi ZnO melalui pemberian
sejumlah kecil bahan pengotor (impurity) baik unsur logam maupun non
2
logam ke dalam struktur kristal semikonduktor ZnO yang disebut dengan
istilah doping. Beberapa unsur logam yang telah berhasil di-doping pada ZnO
diantaranya adalah, unsur Magnesium (Raj dkk., 2012), Nikel (Farag dkk.,
2011), Aluminium (Nakrela dkk., 2016), Ag (Sutanto dkk., 2015), Mangan
(Rusu dkk., 2010) dan Galium (Hong dan Chung, 2014). Namun, doping
dengan unsur logam sering menyebabkan terjadinya ketidakstabilan termal
sehingga dengan mudah menjadi pusat rekombinasi pembawa. Doping
dengan bahan non logam merupakan langkah efektif untuk mengatasi
masalah ini karena dianggap efisien dalam menekan pemisahan pembawa
muatan (Qin dkk., 2011). Beberapa bahan non logam yang telah dijadikan
sebagai bahan pengotor (impurity) yaitu, unsur Carbon (Alshammari dkk.,
2015), Fluorin (Jothi dkk., 2017), Sulfur (Kumari dkk., 2019) dan Selenium
(Chen dkk., 2017). Pen-doping-an ini juga dapat meningkatkan kelicahan
elektron yang berkontribusi kepada peningkatan efisiensi sel surya.
Pen-doping-an ZnO dengan unsur kalkogen seperti sulfur dan selenium
telah menarik perhatian para peneliti. Hal ini dikarenakan unsur tersebut
memiliki banyak sifat fisik dan kimia yang mirip dengan oksigen sehingga
dapat dengan mudah menggantikan atom O pada ZnO. Berbagai metode
sintesis pen-doping-an ZnO telah dilakukan untuk menghasilkan ZnO dengan
sifat yang diinginkan. Pembuatan lapisan tipis ZnO di doping S telah
dilakukan menggunakan metode penguapan termal (Hussain dkk., 2018) dan
Pulsed-Laser Deposition (PLD) (Deulkar dkk., 2010). Metode-metode ini
memerlukan peralatan khusus dalam pembuatannya dan masih menggunakan
suhu yang tinggi. Metode seed-mediated hydrothermal menawarkan proses
sintesis yang mudah, penggunaan suhu yang rendah (dibawah 100°C) dan
lebih ekonomis serta ramah lingkungan (Azeti dkk., 2016). Penggunaan
metode ini bertujuan untuk mensintesis lapisan tipis ZnO nanorod di-doping
sulfur maupun selenium dengan suhu rendah dan proses pembuatan lebih
sederhana. Walaupun masih sangat jarang dilakukan, doping ZnO
menggunakan unsur S (S-ZnO) maupun Se (Se-ZnO) diharapkan
memberikan efek positif terhadap sifat fisis dari ZnO yang kemudian
diaplikasikan sebagai ETM dalam PSC.
Struktur, morfologi dan sifat optik suatu bahan sangat dipengaruhi oleh
metoda penyediaan dan perlakuan yang diberikan. Selain itu, juga
mempengaruhi transfer elektron pada antarmuka ETM/perovskite karena
3
berkaitan dengan celah energi sehingga berpotensi mampu meningkatkan
efisiensi sel surya perovskite. Liquid Phase Deposition (LPD) dan seedmediated hydrothermal dipilih sebagai metode sintesis semikonduktor TiO2
dan ZnO karena memerlukan peralatan yang sederhana dan dapat dilakukan
dalam suhu rendah. Dalam buku ini dipaparkan analisa sifat struktur,
morfologi dan sifat optik material pentranspor elektron meliputi TiO2, ZnO,
S-ZnO dan Se-ZnO sekaligus hasil fabrikasi dan pengujian kinerja sel surya
perovskite berbasis semikonduktor oksida tersebut.
Hasil penelitian di dalam tulisan ini diharapkan menjadi sumber
referensi dalam pengembangan sel surya perovskite di Indonesia. Material
pentranspor elektron meliputi TiO2, ZnO, S-ZnO dan Se-ZnO yang
dihasilkan diharapkan dapat mengoptimumkan efisiensi sel surya perovskite
melalui modifikasi struktur dan morfologi dan sifat optik dari bahan
semikonduktor oksida.
4
2
SEL SURYA PEROVSKITE
PENDAHULUAN
Sel surya perovskite (Perovskite Solar Cells, PSC) adalah sel surya generasi
ke-empat yang merupakan pengembangan dari sel surya tersensitisasi
pewarna atau DSSC. Material utama yang berperan penting dalam PSC
adalah bahan logam halida organik perovskite. Bahan berstruktur perovskite
(sejenis mineral) pertama kali ditemukan di Pegunungan Ural oleh
mineralogis asal Jerman bernama Gustav Rose pada tahun 1839 dan diberi
nama Perovskite untuk menghormati Lev Perovski yang merupakan pendiri
Russian Geographical Society. Pada tahun 2009, ilmuwan Jepang Kojima
dkk mengaplikasikan logam halida organik-anorganik berstuktur perovskite
yang berperan menggantikan pewarna (dye) sebagai penyerap cahaya dalam
sel fotoelektrokimia. Kemampuan absorpsi dari perovskite ini lebih besar
dibandingkan bahan sel surya lain (Kojima dkk., 2009). Rendahnya biaya
yang diperlukan untuk memproduksi sel surya perovskite dan dengan adanya
peningkatan efisiensi yang signifikan telah menarik perhatian luas para
peneliti di seluruh dunia serta sel surya ini telah dikembangkan dengan cepat
dalam beberapa tahun terakhir.
MATERIAL PENYUSUN
PSC merupakan sel surya yang terdiri dari beberapa komponen material.
Material tersebut adalah: substrat, material pentranspor elektron (electron
transport material, ETM), bahan perovskite (penyerap), material pentranspor
lubang (hole transport material, HTM) dan elektroda logam. Sel surya yang
memiliki struktur konvensional n-i-p ditunjukkan pada Gambar 2.1.
5
Gambar 2.1 Susunan piranti PSC
Bahan paling dasar (bawah) dalam susunan sel surya perovskite adalah
substrat. Substrat yang digunakan adalah jenis Transparant Conducting
Oxides (TCO) atau kaca transparan konduktif dengan konduktivitas listrik
dan transparansi pada daerah visible yang tinggi (Ulya N., 2012). Substrat
berfungsi sebagai badan sel surya dan lapisan konduktifnya berfungsi sebagai
tempat mengalirnya elektron yang berasal dari lapisan ETM. Pada umumnya,
substrat yang digunakan adalah Flourine-doped Tin Oxide (FTO) dan Indium
Tin Oxide (ITO). Permukaan substrat yang konduktif merupakan tempat
tumbuhnya semikonduktor oksida yang berperan sebagai pentranspor
elektron (ETM).
ETM yang digunakan pada PSC biasanya berupa bahan semikonduktor
mesopori (Pillai dkk., 2010) dan semikonduktor padat (compact) (Qin dkk.,
2017). TiO2 merupakan material yang paling cocok sebagai bahan penghasil
energi cahaya dengan tegangan yang dihasilkan relatif rendah.
Semikonduktor ZnO juga dapat digunakan sebagai ETM karena memiliki
sifat yang hampir mirip dengan TiO2. ETM dalam PSC berperan
mengekstraksi elektron yang tereksitasi dari bahan perovskite dan
membawanya menuju lapisan konduktif (substrat). Bahan semikonduktor ini
setelah diaplikasikan ke atas substrat sebagai ETM, selanjutnya dilapisi
dengan material penyerap cahaya perovskite.
Bahan perovskite yang berada di atas lapisan ETM memainkan peran
inti dalam penyerapan cahaya dan konversi fotolistrik pada PSC. Bahan
berstruktur perovskite yang sering digunakan adalah bahan logam halida
organik-anorganik seperti methylammonium lead trihalide (CH3NH3PbX3)
6
dan formamidinum lead trihalide (H2NCHNH2PbX3) karena memiliki celah
pita energi yang sempit sehingga dapat menciptakan exciton yang banyak.
Bahan dengan struktur seperti ini memiliki beberapa karakteristik
diantaranya, sifat fotoelektrik yang sangat baik, koefisien penyerapan optik
tinggi (hingga 104 cm−1) (Singh dan Nagarjuna, 2014), energi ikat eksiton
rendah, serta elektron dan lubang dapat secara efektif ditransmisikan dan
dikumpulkan (Sun dkk., 2014).
Perovskite sejati (mineral) pada umumnya tersusun dari kalsium,
titanium dan oksigen dalam bentuk CaTiO3. Bahan yang memiliki struktur
kristal seperti CaTiO3 disebut sebagai bahan perovskite. Bahan perovskite ini
biasanya memiliki struktur kristal kubik atau tetragonal dengan rumus ABX3
seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2, di mana A sebagai kation organik
(methylammonium CH3NH3+ atau formamidinium, CH(NH2)2+) berupa
molekul besar yang terletak di sudut kubus, B merupakan kation logam
(anorganik) seperti Pb2+ dan Sn2+ yang berada ditengah kubus dan X adalah
anion halida seperti iodin (I), bromin (Br) dan klorin (Cl).
Gambar 2.2 Struktur kristal perovskite (Watthage dkk., 2018)
Lapisan selanjutnya adalah material pentranspor lubang (HTM). Peran
utama dari HTM adalah untuk mengumpulkan dan mengangkut lubang (hole)
dari lapisan perovskite untuk memisahkan pasangan elektron-lubang dalam
bahan perovskite yang bekerja sama dengan ETM. Spiro-OMeTAD atau
2,2',7,7'-tetrakis [N,N-di(4-methoxyphenyl)amino] -9,9'-spirobifluorene
adalah bahan organik yang paling umum digunakan sebagai lapisan
transportasi lubang. Selain bahan molekul organik Spiro-OMeTAD, polimer
7
HTM yang lebih banyak menarik perhatian karena kemampuan pembentukan
lapisan yang lebih baik dan mobilitas lubang yang lebih tinggi adalah PTAA
atau poly [bis(4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine (Zhang dkk., 2015).
PTAA memiliki mobilitas lubang satu hingga dua kali lebih tinggi dari bahan
transportasi lubang lainnya.
Terakhir, terdapat elektroda pembanding atau elektroda logam yang
berperan menerima elektron dari rangkaian luar. Elektroda logam disini
merupakan elektroda lawan dari substrat (anoda) yaitu sebagai katoda. Bahan
yang sering digunakan sebagai katoda adalah logam emas (Au), perak (Ag)
dan juga platinum (Pt).
PRINSIP KERJA
Prinsip kerja PSC dijelaskan berdasarkan diagram pita energi seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Skema diagram tingkat energi
Ketika sel terkena paparan cahaya matahari, lapisan perovskite
pertama-tama menyerap foton kemudian elektron akan tereksitasi dari
HOMO (highly occupied moleculer orbital) ke LUMO (low unoccupied
moleculer orbital) sehingga tercipta eksiton (pasangan lubang dan elektron).
Karena perbedaan energi ikat eksiton dari material perovskite, eksiton ini
membentuk pembawa muatan bebas berupa elektron dan lubang untuk
menghasilkan arus atau dapat bergabung kembali menjadi eksiton yang
8
disebut dengan peristiwa rekombinasi. Elektron bebas yang terakumulasi
selanjutnya terdifusi menuju pita konduksi dari ETM. Sedangkan lubang
bebas berdifusi menuju pita valensi pada HTM. Elektron selalu berpindah
menempati tingkat energi yang lebih rendah, sedangkan lubang selalu
menempati tingkat energi yang tinggi (Danilchuk dkk., 2016). Di ETM dan
HTM, elektron dan lubang selanjutnya dibawa dan dikumpulkan ke FTO dan
elektroda logam. Akhirnya, FTO dan elektroda logam ini tersambung dan
arus foto dihasilkan pada rangkaian luar (Zhou dkk., 2018).
SEMIKONDUKTOR OKSIDA SEBAGAI ELECTRON TRANSPORT
MATERIAL
2.4.1 Titanium Dioksida (TiO2)
Titanium dioksida atau yang lebih sering disebut titania adalah oksida logam
golongan (IV). Secara kimia titanium dioksida dituliskan dengan lambang
TiO2. Titania memiliki dua bentuk alotropi atau bentuk struktur kristal yang
berbeda dari unsur yang sama, yaitu anatase dan rutil. TiO2 juga memiliki
tiga fasa polymorpik yaitu rutile (tetragonal, 4,120 g/cm3), anatase
(tetragonal, 3,894 g/cm3), dan brookite (4,120 g/cm3 orthorombik). Fasa
anatase dan rutile memiliki struktur kristal tetragonal, namum memiliki
perbedaan grup ruang (space group).
TiO2 memiliki tiga bentuk mineral yaitu: anatase, rutil, dan brookit yang
strukturnya ditunjukkan pada Gambar 2.4. Anatase TiO2 memiliki struktur
kristal dengan sistem tetragonal (dipyramidal) dan energi gap 3,2 – 3,5 eV.
Film TiO2 anatase cenderung tumbuh pada bidang (001) (Wang dkk., 2015).
Jenis Rutil TiO2 juga memiliki struktur kristal tetragonal (prismatik) dengan
energi gap 3,05 eV . Sedangkan brookit TiO2 memiliki struktur kristal
ortorombik dengan energi gap 3,013 eV (Byranvand dkk., 2013). Secara
umum, TiO2 yang sering digunakan ialah dalam bentuk anatase karena
aktivitas fotokatalitiknya yang tinggi, tidak beracun, dan relatif murah
(MacWan dkk., 2011).
TiO2 termasuk salah satu material yang banyak diteliti karena sifat
kimia, fisika, optik dan kelistrikan yang menarik. Sejauh ini terdapat banyak
aplikasi yang melibatkan TiO2 seperti penjernih air (Lusvardi dkk., 2017),
9
komponen elektronik, fotokatalis dan solar cell (Kojima dkk., 2009). TiO2
juga sering digunakan sebagai lapisan aktif pada dye-sensitized solar cell
(Dar dkk., 2014; Sulaiman dkk., 2018).
Gambar 2.4 Struktur TiO2. (a) Rutil (b) Anatase (c) Brookit (Samat dkk.,
2016)
Pada sel surya perovskite, TiO2 berperan sebagai ETM yang bertugas
untuk menghantarkan elektron yang tereksitasi dari lapisan perovskite. Di sisi
lain, TiO2 juga berperan sebagai lapisan penghalang untuk menghindari
kontak antara lubang dan FTO. Meskipun terdapat struktur PSC berbentuk
planar (tanpa lapisan mesoporos TiO2) dan PSC tanpa HTL, TiO2 padat
(compact-TiO2) tetap menjadi bagian yang tidak dapat dipisahkan dari PSC
dalam upaya mendapatkan kinerja PSC yang tinggi (Qin dkk., 2017).
Sintesis titanium dioksia dapat dilakukan dengan metode hidrotermal
dan sol-gel menggunakan bermacam-macam prekursor seperti titanium
diisopropoxide bis (acetylacetonate) (TTDB), titanium isopropoxide (TTIP),
dan tetrabutyl titanate (TBOT) (Qin dkk., 2017). Namun, diperlukan waktu
yang cukup lama untuk mendapatkan kristalinitas TiO2 yang diinginkan
(umumnya fasa anatase dan rutil).
Metoda hidrotermal dapat dilakukan dengan bantuan gelombang mikro.
Metoda gelombang mikro ini menawarkan suatu metode yang cepat, hemat
energi dan efisien untuk menyediakan berbagai jenis nanomaterial yang
berguna (Falk dkk., 2018). Metode gelombang mikro juga dapat digabungkan
10
dengan metode sintesis sol-gel (Falk dkk., 2018) dan swa-susun (selfassembly) dengan menambahkan agen penyusun nanopartikel untuk
mendapatkan morfologi yang diinginkan (Dar dkk., 2014; Rahman dkk.,
2014). Metode pembuatan lapisan TiO2 memiliki beberapa jenis diantaranya
spray pyrolisis, spin-coating, sputtering dan deposisi elektrokimia. Metode
spin-coating adalah metoda pelapisan yang paling banyak digunakan dalam
PSC karena berbiaya murah, sederhana dan mudah (Qin dkk., 2017). Qin dkk
(2017) membuat lapisan mesopori-TiO2 di atas lapisan compact-TiO2 dengan
menspin-coat pasta TiO2 yang telah dilarutkan di dalam etanol. Serbuk TiO2
terlebih dahulu disintesis dengan teknik hidrotermal. Kojima dkk. (2009)
membuat lapisan TiO2 dengan teknik screen printing menggunakan pasta
yang dibuat dari serbuk TiO2 komersial. Falk dkk (2018) membuat film tipis
TiO2 menggunakan teknik lapis-celup (dip-coating) ke dalam larutan
suspensi. Suspensi disediakan dengan cara melarutkan 1 gram TiO2
(diperoleh melalui proses hydrolisis berbantuan gelombang mikro,
sentifugasi dan pengeringan) kedalam campuran 1 mL DI-water dan 9 mL
ethanol absolut (Falk dkk., 2018). Lapisan tipis TiO2 juga dapat dibuat
dengan mendeposisikan TiO2 kompleks dengan metode screen-printing.
Pasta TiO2 diperoleh dengan mencampurkan serbuk titania yang disintesis
menggunakan teknik gelombang mikro dengan etilselulosa. Serbuk TiO2
kompleks disintesis dengan menggunakan surfaktan dimethylformamide
(DMF) dibawah iradiasi gelombang mikro (Dar dkk., 2014).
2.4.2 Seng Oksida (ZnO)
Seng oksida atau yang lebih sering ditulis dalam rumus kimia ZnO (zinc
oxide) merupakan material semikonduktor paduan golongan II dan VI yang
memiliki lebar celah pita energi langsung (direct band gap) 3,37 eV dan
energi ikat eksiton sebesar 60 MeV yang lebih besar dari energi termal pada
suhu ruang. Senyawa ZnO umumnya berbentuk serbuk putih yang hampir
larut dalam air tetapi mudah larut dalam asam dan basa. ZnO memiliki
karakteristik transmitansi yang tinggi, konduktivitas listrik, sifat adhesi dan
kekerasan, serta mempunyai kestabilan kimia dan mekanik yang baik (Eya
dkk., 2005). Semikonduktor ZnO telah diaplikasikan dalam berbagai bidang
seperti, sensor gas (Ponnamma dkk., 2015), sel surya (Ginting dkk., 2016),
11
biosensor (Fang dkk., 2011), superkapasitor (Rong dkk., 2019), fotokatalis
(Sutanto dkk., 2015) dan piezoelektrik (Lin dan Song, 2006).
Gambar 2.5 Struktur kristal ZnO (a)Wurtzite, (b) Zinc Blend dan (c) Rocksalt
Struktur kristal ZnO terbagi menjadi tiga bentuk, yaitu wurtzite, zinc
blende dan cubic rocksalt yang diperlihatkan pada Gambar 2.5. Stuktur
wurtzite adalah struktur kristal ZnO yang dominan karena struktur ini paling
stabil pada tekanan dan suhu kamar. Struktur zinc blende dapat menjadi stabil
apabila kristal ditumbuhkan pada substrat dengan struktur kristal kubik.
Sedangkan struktur cubic rocksalt diperoleh pada tekanan yang relatif tinggi.
Pembuatan nanopartikel ZnO dapat dilakukan dalam berbagai cara
diantaranya menggunakan metode Spray Coating (Surono dan Sutanto,
2014), Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) (Azeti dkk., 2016), Chemical Bath
Deposition (CBD) atau sol gel (Hodes, 2002), Metal-Organic Chemical
Vapor Deposition (MOCVD) (Torabi dkk., 2016), Pulsed-Laser Deposition
(PLD) (Sun dkk., 2004), sputtering (Hou dkk., 2016) dan hydrothermal
(Polsongkram dkk., 2008). Setiap metode sintesis ZnO memiliki karakteristik
masing-masing yang dapat menghasilkan ZnO berstuktur nano dengan
bentuk morfologi yang berbeda-beda seperti, nanorod, nanotube, nanowire,
nanoribbon, nanocomb, nanoneedles, nanosphere, nanofibers, dan
nanotetrapod dan nanobelt (Morkoc dan Ozgur, 2009).
Material ZnO yang diaplikasikan pada sel surya perovskite (PSC)
berperan sebagai bahan pengangkut elektron (electron transport material).
Selain itu, ZnO memiliki kemampuan ekstraksi elektron yang baik dan
tingkat rekombinasi yang rendah. Son dkk (2014) melaporkan bahwa ZnO
nanorod mampu menggantikan TiO2 sebagai ETM karena memiliki
12
kemampuan mengumpulkan muatan yang efektif. Besarnya eksitasi energi
ikat (60 MeV) pada kristal ZnO dapat membuat emisi elektron efisien pada
suhu kamar dan efisien pada rentang panjang gelombang ultraviolet (<400
nm). ZnO dapat dibuat sangat konduktif dengan adanya penambahan material
doping (Wang dkk., 2004).
Zat pengotor (dopant) atau pendopingan ZnO yang dibahas dalam buku
ini adalah menggunakan bahan non logam yaitu, sulfur dan selenium.
a) Sulfur
Sulfur (S) atau belerang adalah unsur kimia non-logam yang menempati
posisi nomor 16 golongan VI A pada tabel periodik. Unsur ini berada di
kanan atas tabel periodik yang merupakan golongan dari kalkolagen atau
kelompok oksigen. Sulfur ditemukan dalam bentuk padatan berwarna
kuning pucat, berbau dan tidak larut dalam air tetapi larut dalam karbon
disulfida. Tabel 2.1 berikut menyajikan sifat-sifat dasar dari sulfur.
Tabel 2.1 Sifat dasar unsur sulfur (PubChem)
Sifat
Unsur Sulfur (S)
Nomor Atom
Massa Atom
Konfigurasi Elektron
Densitas
Titik Leleh
Titik Didih
Kelektronegatifan
Jari-Jari Atom
Energi Ionisasi
Afinitas Elektron
16
32,064
2
1s 2s2 2p6 3s2 3p4
2,067 gr/cm3
388,36 K
717,75 K
2,58
180 pm
10,360 eV
2,077 eV
Salah satu kegunaan unsur sulfur adalah berperan dalam pendopingan
ZnO sebagai zat pengotor (dopant). Hal ini bertujuan untuk
mengoptimalkan sifat optik, listrik dan magnetik dari ZnO untuk
diaplikasikan pada berbagai bidang material nano seperti fotokatalis,
optoelektronik, sel surya dan sensor. Penggunaan sulfur sebagai dopant
13
dikarenakan memiliki sifat keelektronegatifan yang besar dan ukuran jarijari atom S yang lebih besar dibandingkan dengan atom O (140 pm) (Xie
dkk., 2015).
Chen dkk (2008) melaporkan bahwa pendopingan sulfur memberikan
pengaruh pada sifat struktur ZnO yang dapat memodifikasi aktivitas
fotokatalitik dengan meningkatkan penyerapan cahaya dan menurunkan
rekombinasi dari pembawa muatan. Jothi dkk (2017) juga melaporkan ZnO
yang di-doping sulfur memberikan mobilitas elektron yang lebih cepat dan
lebih tinggi dengan celah pita dan energi pita konduksi yang sama. Selain
itu, sulfur juga berperan dalam memodifikasi sifat listrik dan optik ZnO
(Shen dkk.,2005).
Beberapa peneliti telah mensintesis nanopartikel ZnO di-doping sulfur.
Hussain dkk (2018) telah berhasil mensintesis nanorotor ZnO dengan
pendopingan sulfur menggunakan proses penguapan termal bebas katalis
satu langkah pada suhu 400-425 °C selama 120 menit. Shen dkk (2005)
melaporkan hasil sintesis nanowires ZnO di-doping sulfur melalui metode
chemical solution-conversion pada suhu kamar menggunakan prekursor
thiourea. Sintesis nanostars ZnO terdoping S menggunakan metode
hidrotermal dengan prekursor zink nitrat, heksamin dan tiourea telah
berhasil dilakukan oleh Cho dkk (2012). Maryanti dkk (2012) juga
melaporkan sintesis ZnO:S menggunakan teknik hidrotermal pada suhu
rendah (90-95 °C) dengan waktu penumbuhan selama 6 jam. Khan dkk
(2017) telah berhasil mensintesis seng oksida nanorod di-doping sulfur
dengan mereaksikan nanorod ZnO yang disiapkan dengan uap diamonium
sulfida ((NH4)2S) pada suhu 400°C.
Belakangan ini, ZnO di doping sulfur (S-ZnO) mulai diaplikasikan pada
sel surya perovskite sebagai ETM. Material ini bekerja mengumpulkan dan
menghantarkan elektron yang tereksitasi dari bahan perovskite menuju
substrat. Selain itu, S-ZnO juga berperan menghambat terjadinya
rekombinasi pembawa muatan pada antarmuka ZnO/perovskite sehingga
transportasi muatan yang terjadi lebih efisien. Lapisan ZnO yang
dideposisikan di atas substrat juga berperan penting sebagai hole blocking
layer untuk mencegah terjadinya interaksi antara lubang dengan substrat
FTO (Kumar dkk., 2013) dan dapat meningkatkan efisiensi kinerja PSC.
14
b)
Selenium
Selenium merupakan unsur golongan VI A dengan nomor atom 34,
memiliki sifat semi logam dan berada dalam bentuk yang kimia yang
beragam di alam. Selenium terdapat dalam dua bentuk, yaitu dalam bentuk
anorganik dan dalam bentuk organik. Selenium dapat memberikan efek
berwarna kuning muda. Selenium merupakan semikonduktor yang dapat
diaplikasikan dalam elektronika dan foto sel. Seng selenida (Se-ZnO)
adalah semikonduktor gabungan golongan II B dan golongan VI A dengan
celah pita sebesar 2,7 eV. Se-ZnO dapat digunakan pada dioda pemancar
cahaya, laser dan perangkat fotoelektrolit (Klimm dkk., 2008). Se-ZnO
dapat disintesis menggunakan metoda yang berbeda seperti reaksi langsung
antara Zn dan Se (Liu dkk., 2007), reaksi kimia antara Se2-dan Zn2+ (Feng
dkk., 2015), dan metode transportasi uap kimia (Kannappan dan
Dhanasekaran, 2014).
Yang dkk (2018) pernah menggunakan lapisan Se-ZnO pada mesopori
TiO2 melalui reaksi kimia dimana Se-ZnO sebagai prekursornya. Mereka
menemukan bahwa lapisan Se-ZnO dapat meningkatkan efisiensi konversi
daya (PCE) dan stabilitas sel surya perovskite. Se-ZnO masih jarang
digunakan dalam penelitian sebagai lapisan pengangkut elektron.
KARAKTERISTIK I-V SEL SURYA
Kinerja sel surya merupakan kemampuan dari sel surya untuk dapat
mengkonversi cahaya menjadi energi listrik. Pengujian kinerja sel surya
dilakukan berdasarkan metode pencahayaan langsung di bawah sinar untuk
mengetahui kinerja dan efisiensi sel yang diperoleh ketika objek sel surya
dikenai cahaya dengan intensitas tertentu pada bagian elektroda arus (anoda).
Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapatkan cahaya diperoleh
dari kemampuan perangkat sel surya tersebut untuk menghasilkan tegangan
dan arus. Kemampuan ini direpresentasikan dalam kurva arus tegangan (I-V)
ditunjukkan pada Gambar 2.6.
15
Gambar 2.6 Kurva I-V pada sel surya
Beberapa parameter penting dari kurva I-V, antara lain tegangan open
circuit (𝑉 ), arus short circuit (𝐼 ), tegangan maksimum (𝑉
), arus
maksimum (𝐼
), dan daya maksimum atau maximum power point (𝑃 ).
Arus maksimum dari sel surya yang didapat pada keadaan tanpa adanya
beban (resistansi) dikatakan sebagai arus hubung singkat atau 𝐼 . Tegangan
hubung terbuka (𝑉 ) merupakan tegangan maksimum yang diperoleh pada
saat arus tidak mengalir. Hasil perkalian arus dan tegangan pada setiap titik
kurva I-V menyatakan besarnya daya. Pada kurva di atas, perpotongan arus
maksimum dan tegangan maksimum menghasilkan daya maksimum. Titik
daya maksimum (𝑃
) adalah perkalian antara arus dan tegangan yang
menghasilkan daya maksimum (Saha, 2015). Nilai titik daya maksimum ini
menggambarkan performansi sel surya, yaitu kemampuan divais dalam
mengubah cahaya yang masuk menjadi energi listrik. Banyaknya energi
matahari dalam bentuk foton yang diserap oleh sel surya menentukan
efisiensi sel tersebut.
Salah satu besaran yang menjadi parameter unjuk kerja sel surya atau
gambaran hasil pengukuran arus hubung singkat (Isc) dan tegangan hubung
terbuka (Voc) adalah faktor pengisian (Fill Factor). Fill Factor (FF) sel surya
merupakan besaran tidak berdimensi yang menyatakan perbandingan daya
maksimum yang dihasilkan sel surya terhadap perkalian antara Voc dan Isc,
menurut persamaan 2.1.
𝐹𝐹 =
.
.
(2.1)
16
Parameter terpenting dari sel surya adalah efisiensi konversi daya (PCE
– Power Convertion Efficiency). PCE didefinisikan sebagai perbandingan
dari daya maksimum yang dihasilkan dengan daya dari cahaya yang diterima
oleh sel (Patel, 2006) dan dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
𝜂 (𝑃𝐶𝐸 ) =
∙
∙
× 100 %
(2.2)
Nilai efisiensi ini menentukan banyaknya cahaya yang dikonversi menjadi
listrik dinyatakan dalam persentase.
17
3
DEPOSISI FASA CAIR TIO2
SEBAGAI ETL PADA PSC
PENDAHULUAN
Liquid Phase Deposition (LPD) atau metode deposisi fasa cair adalah salah
satu proses kimia basah dalam pembentukan film tipis logam oksida. Film
tipis tersebut ditumbuhkan pada permukaan substrat menggunakan larutan
TiF4 melalui proses kondensasi hidrolisis, di mana pertumbuhannya
bergantung pada hidrofilisitas permukaan substrat. LPD adalah metode
untuk membuat film dengan kristalitas yang baik pada jenis substrat yang
berbeda-beda (Pourmand dan Taghavinia, 2008). Keuntungan dari
menggunakan teknik ini adalah dapat dilakukan di bawah kondisi atmosfer
pada suhu kamar yang tidak menggunakan peralatan khusus apa pun
(Guti´errez-Tauste dkk., 2007).
Deposisi fasa cair dipilih sebagai metode yang akan digunakan untuk
menghasilkan film tipis TiO2. Proses sintesis TiO2 menggunakan metode
ini (LPD) diperkenalkan pertama kali oleh Deki dkk. dengan melibatkan
hidrolisis logam fluor kompleks dengan tambahan asam borat sebagai
pengikat fluorida (Deki dkk., 1997). Metode ini hanya dapat diaplikasikan
terhadap kation yang mempunyai nomor ion yang tinggi seperti Si (IV)
atau Ti (IV), tergantung kepada kemampuan penyetaraan anion dari atom
fluor. Metode ini telah berhasil mensintesis nanostruktur TiO2 dengan
hanya mencampurkan larutan (NH4)2TiF6 dengan larutan H3BO3 yang
bertindak sebagai pengumpul fluorida. Persamaan reaksi di bawah ini
menjelaskan pembentukan oksida logam menggunakan metode LPD.
[TiF6]2-(aq) + xH2O  [TiF6-x(OH)x]2-(aq) + xHF(aq)
Proses ini kation logam fluor yang telah dihirolisis akan mengalami
ketidakseimbangan HF, yang merupakan produk hasil sampingan dari
reaksi berikut.
(NH4)2TiF6 + H2O  TiO2 + 2NH4F + 4HF
18
Proses
penumbuhan
logam
oksida,
pada
umumnya
ketidakseimbangan HF yang dihasilkan akan diseimbangkan oleh
pengumpul florida. Pengumpul florida yang biasa digunakan dalam proses
LPD adalah asam borat.
H3BO3 + 4HF  BF4- + H3O- + 2H2O
Proses dehidrasi yang terjadi menyebabkan terhasilnya ion logam
kompleks (titanium) hidroksida. Nanopartikel TiO2 yang berfasa anatase
yang dihasilkan kemudian diperoleh melalui annealing ke atas ion
kompleks titanium hidroksida. Akan tetapi laju reaksi terbentuknya logam
oksida (TiO2) menggunakan metode ini sangatlah rendah. Proses
pembuatan inti bagi pembentukan film tipis logam oksida menggunakan
metode ini diklasifikasikan sebagai pembuatan inti heterogen.
Kelebihan dari metode ini adalah mudahnya proses sintesis pada
nanopartikel logam oksida. Beberapa variasi dalam mengubah parameter
telah banyak dilakukan peneliti lain dalam usaha peningkatan laju reaksi
yang rendah dan mengubah sifat nanopartikel logam oksida (Mcdonald dan
Cui, 2011) dan variasi ini juga memperlihatkan perubahan pada sifat
nanopartikel TiO2 yang terbentuk seperti sifat optik dan morfologi (Umar
dkk., 2013).
Ali Umar dkk. (2013) melaporkan prosedur sintesis anatase TiO2
menggunakan metode LPD. Substat yang telah dibersihkan lalu direndam
dalam larutan penumbuh (5 mL 0.5 M (NH4)2TiF6 dan 5 mL 1.0 M H3BO3).
Substrat diposisikan vertikal didalam larutan dengan adesif tape. Setelah
15 jam, reaksi diberhentikan dalam suhu ruang. Setelah proses
penumbuhan, sampel dikeluarkan dan dibilas menggunakan air murni.
Fasa anatase dari nanopartikel TiO2 didapatkan dengan meng-anneal
sampel di udara dengan suhu 400oC selama 1 jam.
Pourmand & Taghavinia (2008) juga meneliti sintesis dari
nanostruktur TiO2 dengan metode LPD. Pertama larutan TiF4 dipersiapkan
dengan variasi konsentrasi antara 0.005 – 0.04 M dan ditambahkan ke
deionized (DI) water yang telah dicampurkan HCl dan NH4OH. Larutan
diaduk selama 10 menit di suhu ruang lalu substrat yang telah dibersihkan
dimasukan (direndam) ke dalam larutan penumbuh secara vertikal.
19
PROSES SINTESIS DAN DEPOSISI TIO2 SEBAGAI ETL
Proses sintesis TiO2 dalam penelitian ini menggunakan metode deposisi
fasa cair. TiO2 disintesis sekaligus dideposisikan ke atas FTO bersih yang
telah di etching. Larutan penumbuh TiO2 disediakan dengan formulasi
sebagai berikut: 5,0 mL larutan Ammonium fluoridetitanate ((NH4)2TiF6)
(AHT) dengan konsentrasi 0,1 M dan 5,0 mL Asam Borat (H3BO3) dengan
konsentrasi 0,2 M dicampurkan ke dalam botol sintesis, seperti ditunjukan
Gambar 3.1. Kaca FTO dimasukkan ke dalam botol dengan cara digantung
(ditunjukan pada Gambar 3.2).
+
0.1 AHT 5 mL
0.2 H3BO3 5 mL
Larutan Penumbuh
Gambar 3.1 Proses pembuatan larutan penumbuh TiO2
Botol sintesis kemudian dimasukkan ke dalam water bath yang
sebelumnya sudah di isi air dan dipanaskan hingga suhu 50oC.
Penambahan lapisan TiO2 diatur dengan cara melakukan variasi waktu
deposisi TiO2. Lapisan pertama ditumbuhkan dengan suhu 50oC selama 2
jam. Lalu untuk lapisan selanjutnya dilakukan variasi waktu penumbuhan
diatas lapisan pertama dengan variasi waktu sebesar 1 jam, 2 jam, 3 jam,
dan 4 jam dengan suhu yang sama 50oC. Penamaan sampel mengikuti
format (t-xh), dimana t adalah lapisan awal yang ditumbuhkan selama 2
jam, dan xh adalah waktu penumbuhan lapisan kedua. FTO yang telah
dilapisi TiO2 kemudian dikeringkan dan selanjutnya di annealing
menggunakan furnace pada suhu 400oC selama 30 menit. Lapisan TiO2
kemudian dikarakterisasi menggunakan FESEM, XRD, dan UV-Vis.
20
50 oC
o
Larutan
Penumbuh
FTO
digantung
Sampel di annealing
menggunakan furnace pada
suhu 400oC selama 30 menit
Dimasukan dalam water
bath selama 2 jam
Sampel
dikeringkan
Gambar 3.2 Proses penumbuhan TiO2 dengan variasi waktu
penumbuhan
STRUKTUR KRISTAL
Pola difraksi sinar-X dari sampel dengan waktu deposisi pertama selama
dua jam (T2-0) dan lapisan kedua selama 4 jam (T2-4) berbahan TiO2
dengan variasi waktu penumbuhan ditunjukan pada Gambar 3.3. Pada
gambar tersebut dapat dilihat puncak-puncak difraksi muncul pada sudut
2θ = 25,50o, 37,92o, 48,04o, 54,84o. Puncak-puncak difraksi dianalisa
menggunakan software Match3! untuk mencocokan bidang-bidang hkl
yang diwakili oleh masing-masing puncak tersebut.
Puncak-puncak spektrum difraksi yang terlihat pada gambar
menandakan bahwa sampel yang terbentuk adalah kristalin yang ditandai
dengan puncak yang tajam. Fenomena ini ditunjukkan dari pola
interferensi yang bersifat konstruktif. Semakin banyak pola interferensi
konstruksif yang terjadi maka struktur yang terbentuk semakin bersifat
kristalin yang kemudian diintrepetasikan dengan puncak-puncak spektrum
yang terbentuk pada pola difraksi (Kittel, 1906).
21
T2-4
T2-0
Gambar 3.3 Pola XRD material TiO2 (*FTO)
Berdasarkan hasil pencocokan, pola XRD sampel pada Gambar 3.3
dapat diketahui bahwa fasa dari TiO2 adalah anatase yang sesuai dengan
database standar (Joint Committee on Powder Diffraction Standars)
JCPDS No. 96-900-9087. Hasil analisa Software Match!3 sampel T2-0
menunjukkan bahwa puncak-puncak difraksi tersebut sesuai dengan
bidang kristal (101), (004), (200), dan (105) untuk anatase TiO2 dan
terdapat pula bidang kristal (101)* dan (211)* yang berasal dari FTO
dengan parameter kisi anatase TiO2 : a= 3,7796 Å, c= 9,4858 Å yang
dihitung menggunakan pers. (2.4). Pola XRD sampel T2-0 dan T2-4 pada
Gambar 3.3 menunjukkan pertumbuhan kristal TiO2 terdapat pada bidang
(101) dimana sampel T2-4 memiliki puncak yang lebih tajam pada bidang
tersebut dibanding sampel T2-0. Perubahan puncak difraksi juga terjadi
pada sampel T2-4 yaitu hilangnya puncak difraksi FTO dikarenakan
material TiO2 telah menutupi lapisan FTO yang secara fisik juga terlihat
semakin tebal. Hasil ini cocok diterapkan untuk aplikasi PSC. Karena fasa
anatase memiliki kemampuan fotoaktif yang tinggi.
Ukuran kristalin dapat dihitung dari nilai FWHM puncak difraksi
sinar-X menggunakan rumus Scherrer. Nilai FWHM untuk setiap puncak
dari sampel T2-0 dan T2-4 didapatkan dengan menggunakan software
22
Origin Pro 2016. Nilai FWHM dan ukuran kristal dapat dilihat pada Tabel
3.1.
Tabel 3.1 Nilai FWHM dan ukuran kristal sampel T2-0 dan T2-4
Sampel
FWHM
(derajat)
Ukuran Kristal
(nm)
T2-0
0,464
29,559
T2-4
0,942
14,559
Dari Tabel 3.1 dapat diambil kesimpulan bahwa sampel T2-0
memiliki ukuran kristalin yang besar dibandingkan dengan sampel T2-4.
Ukuran kristalin berbanding terbalik dengan nilai FWHM. Interferensi
konstruktif yang terjadi pada bidang akan semakin tinggi apabila ukuran
kristalin juga besar. Hal ini dapat dilihat dari nilai intensitas kristalin yang
paling tinggi dan nilai FWHM yang paling rendah. Nilai FWHM yang kecil
menandakan bahwa spektrum yang terbentuk sempit sehingga ukuran
kristal pada sampel akan besar. Hal ini mengindikasikan bahwa profil
kurva suatu puncak difraksi akan melebar terutama untuk ukuran kristal
apabila ukuran partikel kurang dari 100 nm (Sumadiyasa dan Manuaba,
2018). Puncak-puncak difraksi pada spektrum difraksi menunjukkan
pelebaran (perluasan) karena ukuran dan regangan partikel (Vinila dkk.,
2014).
MORFOLOGI PERMUKAAN
Gambar 3.4 menunjukkan lima foto FESEM sampel TiO2 dengan
perbesaran 1000 kali dengan variasi waktu penumbuhannya. Foto FESEM
lapisan dasar sampel TiO2 (T2-0) yang ditumbuhkan selama 2 jam
ditampilkan pada Gambar 3.4 (A). Gambar 3.4 (B-D) merupakan
mikrostuktur lapisan tipis sample TiO2 dengan penambahan waktu
penumbuhan masing-masing 1, 2, 3 dan 4 jam. Pada sampel dengan kode
T2-0, terdapat nanopartikel TiO2 yang lebih sedikit dibanding sampel
dengan kode lainnya. Sampel TiO2 dengan waktu kode T2-4 menghasilkan
TiO2 dengan partikel yang hampir penuh pada permukaan substrat. Terlihat
23
bahwa TiO2 yang tumbuh tidak merata dan bertumpuk-tumpuk pada satu
tempat. Partikel yang tumbuh merupakan partikel nano yang menyerupai
bola. Ukuran diameter dari pertikel tersebut bersekitar 10-50 nm. Semakin
lama waktu penumbuhan maka jumlah partikel yang tumbuh semakin
banyak dan ukurannya pun semakin besar.
Gambar 3.4 Foto FESEM sampel TiO2 dengan variasi waktu
penumbuhan TiO2 (A) T2-0, (B) T2-1, (C) T2-2, (D) T2-3
dan (E) T2-4, perbesaran 1.000 X skala 5μm
Pada Gambar 3.4 juga terlihat bahwa terdapat keretakan pada
lapisan dasar pada sampel. Hal ini berkemungkinan besar disebabkan oleh
faktor waktu pengambilan data FESEM yang terlalu lama (sampel
dibiarkan hingga 1 bulan). Berbeda dengan Gambar 3.5 yang
memperlihatkan hasil FESEM sampel yang diambil tidak lama setelah
24
sampel disediakan. Keretakan umumnya terjadi akibat kelembaban yang
rendah sewaktu penyimpanan. Perlu kajian lanjut mengenai berapa
kelembaban yang dibutuhkan sampel lapisan tipis TiO2 agar tidak retak
saat dibiarkan untuk waktu yang lama.
Gambar 3.5 Foto FESEM sampel T2-0 dengan perbesaran 50.000X
Spektrum EDX sampel T2-0 ditunjukan pada Gambar 3.6. Pada
gambar tersebut juga ditampilkan persentase berat atom-atom penyusun
yang terdapat pada sampel.
Gambar 3.6 Spektrum EDX dan persentase berat TiO2 dengan waktu
penumbuhan selama 2 Jam (T2-0)
25
Berdasarkan data EDX, terdapat unsur Sn, C dan Si pada sampel di
luar persentase berat unsur Ti sebesar 9,4% dan unsur O sebesar 27,7 %.
Kemunculan unsur Sn dikarenakan T2-0 adalah sampel dengan lapisan
paling tipis (Gambar 4.5(A)) maka masih terdapat unsur Sn (Tin) yang
berasal dari substrat FTO dengan persentase berat atomnya sebesar 59,7%.
Selain itu juga terdapat unsur karbon dan silika yang berasal dari
pembakaran (anneal) yang masing masing persentase berat atomnya
berturut-turut adalah 2,7% dan 0,6%.
SIFAT OPTIK
Penyerapan optik dari TiO2 dengan variasi waktu penumbuhan telah
dipelajari dengan manganalisis spektrum penyerapan UV-Vis. Gambar 3.7
memperlihatkan spektrum penyerapan UV-Vis dari sampel TiO2 yang
ditumbuhkan menggunakan metode deposisi fasa cair dengan waktu
penumbuhan yang berbeda.
T2-0
T2-1
T2-2
T2-3
T2-4
Gambar 3.7 Kurva spektrum penyerapan UV-Vis dari sampel TiO2
dengan variasi waktu penumbuhan
Spektrum serapan UV-Vis sampel memperlihatkan puncak
penyerapan terjadi pada rentang panjang gelombang sekitar 300-350 nm
yang merupakan karakteristik spektrum penyerapan UV-Vis untuk TiO2
26
(Amanati & Sutanto, 2014). Di daerah cahaya tampak (λ >400 nm),
absorbsi sampel TiO2 melemah. Sampel TiO2 dengan satu lapisan (T2-0)
memiliki nilai penyerapan paling rendah yaitu sebesar 1,5 a.u.
dibandingkan dengan sampel variasi waktu penumbuhan TiO2 (T2-1), (T22), (T2-3), dan (T2-4) yaitu sebesar 2,1 a.u., 2,4 a.u., 2,8 a.u., dan 2,7 a.u.
Tingkat penyerapan sampel TiO2 meningkat seiring dengan meningkatnya
waktu penumbuhan. Hal ini memberi implikasi terjadi penambahan
ketebalan, dikarenakan banyaknya atom-atom bahan yang terlibat dalam
proses penyerapan berkas cahaya (Amanati & Sutanto, 2014).
Berdasarkan spektrum penyerapan UV-Vis, terlihat bahwa puncak
nilai penyerapan sampel (T2-3) adalah yang paling tinggi dibanding
sampel lainnya. Akan tetapi, keunikan justru terjadi pada sampel (T2-4).
Meskipun puncak pada panjang gelombang 300-350 nm lebih rendah
daripada (T2-3), namun pada sampel (T2-4) terjadi kenaikan penyerapan
pada rentang panjang gelombang 390 – 480 nm. Fenomena ini juga diamati
oleh Sulaiman dkk (2018), bahwa spektrum serapan UV-Vis bervariasi
terhadap kondisi penyediaan. Sampel yang ditumbuhkan selama 2 jam
(lapisan pertama) dan diikuti dengan pelapisan kedua selama 4 jam (T2-4)
memiliki luas penyerapan tertinggi. Puncak penyerapan UV-Vis lapisan
TiO2 yang ditumbuhkan lebih dari 1 lapisan diamati bergeser ke arah
panjang gelombang yang lebih besar dan berada pada panjang gelombang
sekitar 350-380 nm (mendekati cahaya tampak).
Besarnya nilai celah pita energi suatu bahan perlu diketahui.
Spektrum serapan UV-Vis yang dihasilkan oleh sampel semikonduktor
memberikan korelasi antara sisi penyerapan fundamental dan energi foton
yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron-elektron dari pita valensi ke
level energi yang lebih tinggi yaitu pita konduksi. Hubungan antara energi
foton sinar pengeksitasi dan energi celah pita (energy band gap, Eg)
diberikan oleh persamaan Tauc:
(αhυ) = A (hυ − Eg)
(3.1)
27
Gambar 3.8 Penentuan energi celah pita energi. (A) T2-0, (B) T2-1, (C)
T2-2, (D) T2-3, (E) T2-4
Energi celah pita optis Eg diperoleh dengan mengekstrapolasi kurva
hυ vs (αhυ)1/2. Perpotongan garis lurus hυ pada sumbu-x adalah nilai Eg
yang ditunjukkan pada Gambar 3.8. Hasil Eg yang diperoleh ditunjukan
pada Tabel 3.2.
28
Tabel 3.2 Celah pita energi TiO2 dengan variasi waktu penumbuhan
Sampel
Celah Pita Energi (eV)
T2-0
3,00
T2-1
3,25
T2-2
3,32
T2-3
3,03
T2-4
3,12
Celah pita energi merupakan daerah terlarang untuk ditempati oleh
elektron yang berada diantara pita valensi dan pita konduksi. Nilai celah
pita energi menunjukan pergerakan elektron dalam melintasi pita valensi
menuju pita konduksi. Besar kecilnya nilai celah pita energi akan
mempengaruhi sifat optik material semikonduktor karena berkaitan dengan
energi foton untuk mengeksitasi elektron. Agar elektron dapat berpindah
dari pita valensi ke pita konduksi, maka besar energi foton yang diterima
elektron minimal harus sama dengan besarnya energi gap dari sampel.
29
4
SEED-MEDIATED HIDROTERMAL SINTESIS
NANOROD ZNO, S-ZNO DAN SE-ZNO SEBAGAI
ETM
PENDAHULUAN
Seed-mediated hydrothermal adalah gabungan dari metode seed-mediated
growth dan hydrothermal. Metode ini merupakan metode kimia basah
(bottom up) yang digunakan untuk mensintesis nanopartikel
semikonduktor. Metode seed-mediated growth dikenal sebagai metode
penumbuhan nanopartikel melalui mediasi pembenihan. Metode ini
pertama kali diperkenalkan oleh Murphy dkk tahun 2001 yang mensintesis
Au nanorod (Jana dkk., 2001). Hydrothermal adalah metode sintesis yang
menggunakan air sebagai pelarut pada suhu dan tekanan tinggi (di atas titik
didih) yang bertujuan untuk membentuk material berstruktur nano dengan
tingkat kristalinitas tinggi. Metode ini dilakukan dalam sistem tertutup
untuk mencegah hilangnya pelarut saat dipanaskan di atas titik didih.
Sintesis hidrotermal nanorod ZnO dipelopori oleh Vergés dkk (1990).
Sintesis dengan metode seed-mediated hydrothermal sering
dilakukan untuk membuat bahan ZnO dengan bentuk nanorod. Metode ini
terdiri atas dua tahapan, yaitu tahap pembenihan dan tahap penumbuhan
dengan proses hydrothermal. Pembenihan dilakukan sebagai media
tumbuhnya nanopartikel. Proses penumbuhan dari ZnO dalam larutan
prekursor zinc nitrate hexahydrate (ZNH) dan hexamethylenetetramine
(HMT) didasarkan pada reaksi sebagai berikut.
Zn(NO ) → Zn
+ 2NO
(CH ) N + 6H O → 6HCHO + 4NH
NH OH ↔ NH + H O
Zn
+ 4NH → Zn[(NH ) ]
2H O ↔ H O + OH
30
Zn
+ 2OH ↔ Zn(OH)
Zn(OH) → ZnO + H O
Penguraian ZNH dan HMT terjadi pada suhu tinggi menyebabkan
OH bereaksi dengan Zn menjadi Zn(OH) . Selama proses hidrotermal,
Zn(OH) terurai dengan kenaikan suhu. Gugus koloid Zn(OH) yang
terpisah dalam larutan sebagian akan bertindak sebagai inti dari
pertumbuhan ZnO nanorod (Polsongkram dkk.,2008).
Metode seed-mediated hydrothermal merupakan metode sederhana
dalam mensintesis bahan berskala nano dengan ukuran dan bentuk yang
dapat diatur. Beberapa keuntungan dari metode ini diantaranya tidak
memerlukan biaya tinggi, ukuran nanopartikel yang dapat diatur,
nanopartikel langsung terbentuk dari larutan dan proses sintesis dilakukan
pada suhu rendah (60 ℃ -100 ℃ ). Oleh sebab itu, metode ini banyak
digunakan untuk membentuk ZnO nanorod. Metode seed-mediated growth
telah digunakan untuk mensintesis ZnO nanorod (Li dkk., 2008).
Polsongkram dkk (2008) telah membuat ZnO nanorod menggunakan
metode hidrotermal ini.
Tao dkk (2010) telah mensintesis ZnO nanorod yang pembenihannya
dilakukan dengan pendeposisian menggunakan RF magnetron sputtering
pada substrat Si dan kemudian dilakukan proses annealing. ZnO nanorod
ditumbuhkan diatas substrat Si yang telah dilapisi benih ZnO dengan cara
direndam dalam larutan yang mengandung 0,1 M seng nitrat heksahidrat
(Zn(NO3)2·6H2O) dan 0,1 M hexamethylenetetramine ((CH2)6N4). Proses
penumbuhan dilakukan dalam oven pada suhu konstan 95℃ selama 8 jam.
Morfologi susunan ZnO nanorod yang ditumbuhkan bergantung pada
tekanan sputtering dan suhu anneal.
Metode seed mediated hydrothermal pernah dilakukan oleh Iwantono
dkk (2019) dan memperoleh nanomaterial ZnO berbentuk nanorod.
Sintesis diawali dengan pembenihan menggunakan senyawa zinc acetate
dihydrate (ZAD) yang dilapisi di atas substrat dengan proses spin coating.
Penumbuhan dilakukan dengan meletakkan substrat yang telah di lakukan
pembenihan ke dalam botol sintesis berisi 0,1 M senyawa ZNH dan HTM
yang terlarut dalam 10 mL DI Water. Proses annealing pada suhu 350℃
31
dilakukan sebelum penumbuhan sampel dalam oven pada suhu 90 ℃
selama 8 jam.
PROSES SINTESIS DAN DEPOSISI ZNO MURNI, S-ZNO
DAN SE-ZNO
Sintesis ZnO murni, S-ZnO dan Se-ZnO dalam penelitian ini dilakukan
menggunakan metode seed-mediated hydrothermal. Metode ini terdiri dari
dua tahap, yaitu pembenihan dan penumbuhan. Langkah pertama yang
dilakukan dalam pembenihan ZnO adalah membuat larutan pembenih,
yaitu melarutkan zinc acetate dihydrate (ZAD) dengan rumus kimia
Zn(CH3COO)2.2H2O dalam 10 mL ethanol absolute (C2H5OH) dengan
konsentrasi 10 mM ke dalam botol sintesis. Proses pembuatan larutan
pembenih ditunjukkan seperti pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Proses pembuatan larutan pembenih
Tahap selanjutnya, substrat FTO yang telah dibersihkan diletakkan di
atas spin coater dan diteteskan larutan pembenih menggunakan pipet
mikro. Volume larutan yang diteteskan ialah sebesar 20𝜇𝐿 dan dilakukan
spin coating dengan kecepatan 1000 rpm selama 30 detik. Tahap ini
diulangi kembali dengan kecepatan 3000 rpm. Sampel kemudian
diletakkan dalam piring petri yang telah ditutupi aluminium foil dan
dipanaskan di atas hot plate pada suhu 100℃ selama 15 menit. Proses ini
diulang sebanyak tiga kali guna memperoleh benih ZnO yang tersebar
32
merata di atas permukaan substrat FTO. Pada tahap akhir pembenihan,
sampel di annealing menggunakan furnace pada suhu 275℃ selama 1 jam.
Skema proses pembenihan ZnO dipaparkan pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Skema pembenihan ZnO
Proses penumbuhan lapisan tipis ZnO murni dilakukan dengan
mereaksikan larutan penumbuh sebagai berikut: zinc nitrat hexahydrate
(ZNH) dengan rumus kimia Zn(NO3)2.6H2O dilarutkan dalam 5,0 mL DI
water dan hexamethylenetetramine (HMT) juga dilarutkan dalam 5,0 mL
DI water dengan konsentrasi yang sama (equimolar) sebesar 50 mM.
Sampel doping sulfur (S-ZnO) dibuat dengan menambahkan larutan
sodium sulphide (Na2S) dalam 0,25 mL DI water dengan konsentrasi yang
bervariasi (10 mM, 25 mM, 50 mM, dan 100 M) dimana persentase doping
sulfurnya yaitu, 1%, 2,5%, 5% dan 10%.. Campuran dari ketiga larutan ini
disebut sebagai larutan penumbuh yang dimasukkan ke dalam botol
sintesis. Proses pembuatan larutan penumbuh S-ZnO ditampilkan pada
Gambar 4.3.
33
Gambar 4.3 Proses pembuatan larutan penumbuh
Adapun sampel doping selenium dibuat dengan menambahkan
larutan pen-doping sodium hidrogen selenida (NaHSe) pada larutan
panumbuh ZnO murni. Larutan pen-doping NaHSe disediakan dengan
mereaksikan serbuk selenium (Se) dengan sodium borohydrate (NaBH4)
0,1 M dalam 10 mL DI Water. Larutan tersebut disonikasi dan dipanaskan
di dalam waterbath selama 30 menit. Setelah larutan homogen larutan pendoping kemudian ditambahkan ke dalam larutan penumbuh. Volume
larutan pen-doping ditambahkan yaitu 0 mL, 0,025 mL, 0,05 mL, 0,1 mL,
dan 0.2 mL, untuk mendapat persentase perbandingan atomik Se/ZnO
berturut-turut menjadi 0%, 0,025%, 0,05%, 0,1%,0,2%. Proses pembuatan
larutan pendoping dan penambahan Se ditunjukkan pada Gambar 4.4 dan
4.5 berikut.
Gambar 4.4 Proses pembuatan larutan pen-doping
34
Gambar 4.5 Proses penambahan larutan pen-doping Se
Tahapan penumbuhan lapisan tipis ZnO murni, S-ZnO dan Se-ZnO
dilakukan dengan memasukkan substrat FTO yang telah diberi benih ZnO
ke dalam botol sintesis dengan cara digantung menggunakan selotip seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 4.6. Botol sintesis kemudian dimasukkan
ke dalam oven dengan suhu 90oC selama 5 jam. Setelah proses
penumbuhan selesai, sampel dibersihkan dengan DI water kemudian
dikeringkan dan disimpan dalam dry box.
Gambar 4.6 Proses penumbuhan S-ZnO dan Se-ZnO
35
STRUKTUR KRISTAL
4.3.1 ZnO dan S-ZnO
Pola difraksi sinar-X dari sampel lapisan tipis ZnO murni dan S-ZnO
dengan variasi persentase doping S terhadap ZnO ditunjukkan pada
Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Pola XRD sampel ZnO murni dan S-ZnO
Pola XRD sampel ZnO murni dan S-ZnO memperlihatkan puncakpuncak difraksi terdapat pada sudut 2θ = 34,43°; 36,26°; 37,80°; 47,54°
dan 51,62°. Puncak difraksi yang terlihat menunjukkan intensitas yang
tinggi (puncak tajam) dari spektrum difraksi sehingga dapat dikatakan
bahwa sampel bersifat kristalin. Sifat kristalin ini berasal dari pemantulan
sinar-X yang membentuk pola interferensi konstruktif (Setiabudi dkk.,
2012). Semakin banyak pola interferensi konstruktif yang terbentuk maka
sifat kristalinnya semakin tinggi yang kemudian diinterpretasikan pada
puncak-puncak spektrum dalam pola difraksi. Pada Gambar 4.7 dapat
diketahui bahwa sampel ZnO yang ditambahkan atom S menunjukkan
36
peningkatan intensitas sehingga fase ini memberikan sifat kristalin tinggi.
Hasil ini selaras dengan penelitian yang dilakukan oleh Khan dkk (2017).
Puncak-puncak difraksi dianalisa untuk mengetahui bidang-bidang
kristal setiap puncak melalui pencocokan dengan database standar yang
ada pada software Match3!. Hasil pencocokan menunjukkan puncakpuncak difraksi dari struktur kristal ZnO wurtzite heksagonal sesuai
dengan bidang kristal (002), (101) dan (102) berdasarkan data dari
Crystallography Open Database (COD) No. 96-210-7060. Setelah
pendopingan sulfur ke dalam ZnO hasilnya tidak mengubah fasa kristal
ZnO murni. Bidang kristal (200) dan (211) merupakan fasa SnO2 yang
berasal dari FTO berdasarkan COD No. 96-210-1854. Puncak difraksi
FTO terlihat jelas pada sampel ZnO murni dan semakin melemah dengan
adanya penambahan sulfur pada ZnO. Hal ini dikarenakan lapisan S-ZnO
telah menutupi lapisan FTO secara meyeluruh dan lebih tebal
dibandingkan dengan sampel ZnO murni yang dijelaskan lebih lanjut pada
hasil karakterisasi FESEM dan UV-Vis.
Gambar 4.8 menampilkan puncak difraksi tertinggi (strongest line)
yaitu pada bidang kristal (002). Fase kristal dari sampel ZnO murni yang
diperoleh memiliki kemurnian tinggi dengan parameter kisi a = b = 3,252
Å dan c = 5,204 Å. Hasil ini selaras dengan penelitian Polsongkram dkk
(2008) (a = b = 3,249 Å dan c = 5,264 Å) yang menunjukkan bahwa
orientasi penumbuhan nanorod ZnO adalah searah dengan sumbu-c yang
tegak lurus dengan permukaan substrat FTO.
Puncak difraksi dari sampel S-ZnO mengalami pergeseran ke arah
sudut difraksi yang lebih kecil dari sampel ZnO murni, yaitu sekitar 0,035°.
Pergeseran kecil ini dapat menggambarkan bahwa atom sulfur menempati
posisi oksigen dalam kisi kristal ZnO (Xie dkk., 2015). Selain itu,
pergeseran puncak difraksi menyebabkan perubahan nilai parameter kisi
pada struktur kristal. Hal ini disebabkan karena atom sulfur memiliki jarijari atom lebih besar dibandingkan atom O, sehingga atom S dapat dengan
mudah menempati posisi atom O (Jothi dkk., 2017). Perubahan nilai
parameter kisi kristal memiliki keterkaitan dengan hasil foto FESEM
dimana terjadi distorsi pada panjang sisi-sisi heksagonal nanorod masingmasing sampel yang menyebabkan perbedaan ukuran diameter nanorod.
Penjelasan ini akan dikaji lebih lanjut pada Sub-Bab berikutnya.
37
Gambar 4.8 Pola XRD sampel ZnO murni dan S-ZnO pada bidang
(002)
Berdasarkan Gambar 4.8 terlihat bahwa sampel S-10% memiliki
puncak difraksi dengan intensitas paling tinggi yang artinya pertumbuhan
kristal pada sampel ini lebih cepat dibandingkan sampel lain. Ukuran
kristal sampel S-ZnO telah dihitung dari nilai FWHM puncak difraksi
tertinggi menggunakan formula Scherrer. Nilai FWHM puncak-puncak
difraksi sinar-X diperoleh dari analisis kurva Gauss menggunakan software
Origin Pro 8.5. Nilai FWHM dan ukuran kristal dari sampel S-ZnO
disajikan pada Tabel 4.1.
38
Tabel 4.1 Nilai FWHM dan ukuran kristal dari sampel ZnO murni dan SZnO
Sampel
2θ (°)
FWHM (°)
ZnO Murni
34,4521
0,2282
Ukuran
Kristal (nm)
38,0775
S-1%
34,4241
0,2253
38,5647
S-2,5%
34,4172
0,2275
38,1911
S-5%
34,4316
0,2263
38,3951
S-10%
34,4240
0,2218
39,1063
Berdasarkan Tabel 4.1 dapat diketahui bahwa sampel dengan
penambahan atom sulfur memiliki ukuran kristal yang besar dibandingkan
dengan sampel ZnO murni. Ukuran kristal ini berbanding terbalik dengan
nilai FWHM, dimana semakin kecil FWHM maka ukuran kristal yang
diperoleh semakin besar. Nilai FWHM yang kecil menandakan spektrum
difraksi sinar-X yang terbentuk sempit sehingga puncak difraksinya
terlihat tajam dan memiliki tingkat kristalin yang semakin tinggi karena
interferensi konstruktif yang terjadi semakin banyak. Pada Gambar 4.8
terlihat sampel ZnO murni memiliki intensitas terendah yang artinya nilai
FWHM sampel ini cukup besar sehingga ukuran kristalnya kecil
dibandingkan sampel lain. Sampel dengan penambahan unsur S pada ZnO
memiliki nilai FWHM yang kecil sehingga sifat kristalinnya tinggi
dibandingkan dengan ZnO murni (Khan dkk., 2017).
4.3.2 ZnO dan Se-ZnO
Pola XRD dari sampel ZnO yang di-doping dengan selenium (Se)
ditunjukkan pada Gambar 4.9. Gambar tersebut terlihat lima puncak
difraksi struktur yang terdeteksi pada sudut 2θ = 31,70°; 34,30°; 36,25°;
47,59° dan 56,66° yang bersesuaian dengan bidang hkl kisi heksagonal
(100),(002), (101),(102) dan (110).
39
Gambar 4.9 Pola XRD ZnO Murni dan Se-ZnO
Pola XRD menunjukkan bahwa ketika ZnO di-doping dengan Se,
posisi puncak difraksi tidak berubah tetapi intensitas puncaknya menurun.
Terlihat pada Gambar 4.9 puncak (002) mengalami penurunan seiring
bertambahnya volume Se. Keunikan terjadi pada Se-ZnO 0.1 mL, dimana
pen-doping-an 0,1% Se ini memiliki intensitas puncak utama tertinggi. Hal
ini sesuai dengan penelitian (Wang, 2004), yang menyatakan intensitas
puncak akan meningkat seiring meningkatnya penambahan volume doping
hingga 0,1%.
Hasil analisa menggunakan Software Eva Diffract Plus dari data
XRD pada Gambar 4.9 menunjukkan kelima puncak pada adalah (100),
(002), (101), (102) dan (110) yang berstruktur heksagonal berdasarkan data
(JCPDS) No. 01-070-8070. Puncak difraksi orientasi (002) merupakan
puncak tertinggi yang merupakan puncak karakteristik nanorod ZnO.
Puncak (002) menunjukkan arah penumbuhan nanorod Se-ZnO ke arah
sumbu-c yang tegak lurus ke permukaan FTO. Besar sudut dari kelima
puncak dapat dilihat pada Tabel 4.2.
40
Tabel 4.2 Puncak difraksi pada ZnO murni dan di-doping Selenium
Puncak Difraksi Pada Sudut 2θ
Sampel
Peak 1
(100)
Peak 2
(002)
Peak 3
(101)
Peak 4
(102)
Peak 5
(110)
ZnO Pure
31,701
34,436
36,224
47,561
56,356
Se 0,025 mL
31,703
34,434
36,231
47,567
56,335
Se 0,05 mL
31,702
34,434
36,231
47,567
56,335
Se 0,1 mL
31,702
34,435
36,231
47,567
56,337
Se 0,2 mL
31,703
34,435
36,231
47,567
56,338
Gambar 4.10 Pola difraksi sinar-X ZnO murni dan di-doping Se pada
bidang orientasi (002)
Gambar 4.10 menunjukkan perbesaran intensitas pada puncak bidang
orientasi (002) terjadi pada sudut 2θ= 34,43°. Pen-doping-an selenium
pada ZnO murni menyebabkan posisi puncak tertinggi (002) sedikit
bergeser ke arah sudut yang lebih besar setelah diberi larutan selenium 0,05
41
mL dan bergeser ke sudut yang lebih kecil setelah diberi 0,1 mL. Puncak
kristal tertinggi yang sesuai dengan orientasi (002) merupakan puncak
orientasi penumbuhan nanorod ZnO dengan struktur kristal heksagonal
(Xu dkk., 2012).
Pada Tabel 4.3 dapat dilihat nilai FWHM dan parameter kisi masingmasing sampel yang didapatkan menggunakan Software Origin Pro 8
dengan fitting persamaan Gaussian dan ukuran kristal dihitung
menggunakan Persamaan Scherrer.
Tabel 4.3 Parameter kisi, nilai FWHM dan ukuran kristal sampel ZnO
Pure dan Se-ZnO pada puncak difraksi (002)
Sampel
2
D
a=b
(Å)
c
(Å)
FWHM
(derajat)
Ukuran
Kristal
(nm)
ZnO Pure
34,436 2,603
3,257
5,206
0.226
38.245
Se 0,025 mL
34,434 2,607
3,256
5,214
0.237
36.507
Se 0,05 mL
34,434 2,607
3,257
5,214
0.245
35.271
Se 0,1 mL
34,435 2,603
3,257
5,206
0.208
41.656
Se 0,2 mL
34,435 2,603
3,256
5,206
0.218
39.656
Tabel 4.3 memperlihatkan parameter kisi a mengalami penurunan
sebesar 0,001 Å pada sampel Se 0,025 mL dan Se 0,2 mL dan parameter
kisi c sedikit meningkat 0,008 Å pada sampel Se 0,025 mL dan Se 0,05
mL. Rasio c/a dari sampel ZnO pure dan Se-ZnO adalah 1,6, dimana nilai
rasio ini sedikit lebih kecil dari nilai ideal rasio 1,633.
Nilai FWHM dengan penambahan volume 0,1 mL unsur selenium
lebih kecil dibandingkan dengan sampel yang lain. Nilai FWHM
berbanding terbalik dengan besarnya ukuran kristal. Semakin kecil nilai
FWHM maka ukuran kristal semakin besar. Tabel 4.3 menunjukkan
perubahan ukuran kristal sampel ZnO pure dan Se-ZnO. Ukuran kristal
dari ZnO pure, Se-ZnO 0,025 mL, Se-ZnO 0,05 mL, Se-ZnO 0,1 mL dan
Se-ZnO 0,2 mL secara berturut-turut adalah 38,245 nm, 36,507 nm, 35,271
nm, 41,656 nm dan 39,656 nm. Terlihat bahwa Se-ZnO 0,1 mL memiliki
42
ukuran kristal yang paling besar, dengan kata lain memiliki tingkat
kristalinitas tertinggi.
MORFOLOGI PERMUKAAN
Morfologi permukaan sampel lapisan tipis semikonduktor oksida diperoleh
dari hasil karakterisasi FESEM. Selain morfologi, dari hasil karaktrerisasi
FESEM juga didapatkan unsur-unsur yang terdeteksi dari sampel dalam
persentase berat.
4.4.1 ZnO dan S-ZnO
Foto FESEM beserta histogram ukuran diameter nanorod dari sampel ZnO
murni dan S-ZnO dengan variasi persentase doping S terhadap ZnO
ditampilkan pada Gambar 4.11 Foto FESEM dengan perbesaran 50.000x
menunjukkan bentuk geometri dari sampel S-ZnO yang ditumbuhkan
diatas substrat FTO adalah nanorod. Gambar tersebut menampilkan
perbedaan morfologi yang dimiliki oleh masing-masing sampel.
Gambar 4.11 (A) merupakan sampel ZnO murni dengan nanorod
yang terbentuk memiliki penampang segi enam (heksagonal) yang seragam
dan halus. Berbeda halnya dengan sampel yang diberikan penambahan
atom sulfur. Sampel tersebut memiliki bentuk nanorod yang tidak seragam
karena mengalami perubahan bentuk penampang heksagonal dengan
ukuran setiap sisinya berbeda yang terlihat jelas pada Gambar 4.11 (I).
Perbedaan ukuran sisi heksagonal ini disebabkan karena terjadinya distorsi
akibat pergeseran puncak difraksi seperti yang telah dijelaskan
sebelumnya. Namun, bentuk nanorod-nya masih dikatakan memiliki
struktur heksagonal seperti hasil penelitian yang dilakukan oleh (Khan
dkk., 2017).
43
Bersambung….
44
Gambar 4.11 Foto FESEM beserta histogram ukuran diameter nanorod
sampel (A,B) ZnO murni, (C,D) S-1%, (E,F) S-2,5%, (G,H)
S-5%, (I,J) S-10% dengan perbesaran 50.000X, skala 1 nm
Penambahan atom S terhadap ZnO memperlihatkan bintik-bintik
pada permukaan partikel ZnO yang membuat nanorod terlihat kasar.
Keadaan ini terlihat jelas pada Gambar 4.11 (I) dengan komposisi doping
S paling tinggi (10%). Penampang nanorod yang kasar ini juga diperoleh
dari penelitian yang dilakukan oleh Sharma dkk (2018). Menurut Lin dkk
(2016) permukaan nanorod yang kasar diakibatkan oleh proses sulfidasi
yang dapat meningkatkan hamburan cahaya.
Gambar 4.11 (I) menunjukkan morfologi dari sampel S-10% yang
memiliki diameter partikel terbesar dan diikuti oleh sampel S-5% dan S2,5% yang ditunjukkan pada Gambar 4.11 (E) dan Gambar 4.11 (G).
Sampel S-1% pada Gambar 4.11 (C) merupakan sampel dengan ukuran
diameter partikel paling kecil bahkan dibandingkan dengan sampel ZnO
murni. Namun, secara keseluruhan perbedaan diameter partikel tidak
terlihat jelas dari gambar penampang nanorod. Oleh karena itu, pada
45
Gambar 4.11 (B-D-F-H-J) disajikan grafik frekuensi jumlah nanorod
terhadap ukuran diameter partikel dari 50 nanorod yang diukur
menggunakan software ImageJ.
Berdasarkan perhitungan standar deviasi dan rata-rata ukuran
diameter kristal diperoleh diameter rata-rata sampel S-ZnO nanorod
berkisar 37,02 ± 7,046 nm hingga 69,22 ± 20,731 nm. Hasil ini
menunjukkan bahwa sampel S-ZnO nanorod yang tersebar memiliki
ukuran diameter tidak seragam. Selain itu, dengan penambahan kandungan
atom S terhadap ZnO, menunjukkan bahwa nanorod yang terbentuk lebih
rapat dibandingkan dengan sampel ZnO murni. Sehingga luas
permukaannya semakin besar karena menutupi substrat FTO. Penambahan
ukuran diameter dan rapatnya partikel nanorod yang terbentuk berasumsi
pada laju penumbuhan nanorod karena mengalami sulfidasi dalam proses
hidrotermal (Liang dan Wang, 2018).
Komposisi unsur dari lapisan tipis nanorod ZnO murni dan S-ZnO
dengan variasi persentase doping S terhadap ZnO dapat diketahui dari hasil
spektrum EDX yang ditampilkan pada Gambar 4.12. Hasil spektrum EDX
memberikan informasi mengenai komposisi dan distribusi unsur yang
terkandung dengan menunjukkan persentase berat dari setiap unsur
penyusun sampel. Berdasarkan hasil spektrum EDX ini, terlihat bahwa
semakin bertambah komposisi atom S yang diberikan maka persentase
berat unsur S yang diperoleh semakin tinggi. Unsur yang terdeteksi
berdasarkan data hasil spektrum EDX pada Gambar 4.12 diantaranya yaitu,
unsur zink, oksigen, sulfur, tin dan karbon. Persentase berat dan persentase
atom dari setiap unsur penyusun sampel disajikan pada Tabel 4.4 dan Tabel
4.5.
46
Gambar 4.12 Spektrum EDX dari sampel (A) ZnO murni, (B) S-1% (C) S2,5%, (D) S-5% dan (E) S-10%
Tabel 4.4 Persentase berat komponen penyusun sampel ZnO murni dan SZnO
% Berat
Unsur
Zn
O
S
Sn
C
Total
ZnO
Murni
54,7
17,8
24,5
3,0
100%
S-1%
S-2,5%
S-5%
S-10%
81,6
17,9
0,4
100%
81,3
17,6
1,0
100%
80,0
18,7
1,4
100%
80,7
16,3
2,9
100%
47
Tabel 4.6 Persentase atom komponen penyusun sampel ZnO murni dan
S-ZnO
% Atom
Unsur
Zn
O
S
Sn
C
Total
ZnO
Murni
34,78
46,25
8,58
10,38
100%
S-1%
S-2,5%
S-5%
S-10%
52,45
47,02
0,52
100%
52,36
46,32
1,31
100%
50,23
47,98
1,79
100%
52,67
43,47
3,86
100%
Hasil spektrum EDX sampel S-ZnO dengan variasi persentase doping
S terhadap ZnO memberikan informasi bahwa distribusi unsur Zn dan O
hampir sama dengan sampel ZnO murni. Persentase atom Zn tertinggi dan
terendah berturut-turut terdapat pada sampel S-10% dan ZnO murni
dengan persentase sebesar 52,67% dan 34,78%. Persentase atom O
tertinggi terdapat pada sampel S-5% sebesar 47,98%. Sampel S-10%
merupakan sampel dengan persentase atom O terendah yaitu sebesar
43,47%.
Unsur yang tidak terdapat dalam sampel ZnO murni adalah unsur
belerang (S). Sampel S-10% memiliki persentase atom dari unsur S
tertinggi yaitu sebesar 3,86%, sedangkan persentase atom S terendah
diperoleh pada sampel S-1% sebesar 0,52%. Persentase kandungan unsur
S ini semakin tinggi seiring dengan bertambahnya kandungan atom S pada
ZnO. Adanya puncak unsur S ini menandakan bahwa penggabungan atom
S ke dalam struktur ZnO telah berhasil dilakukan, yang dikenal dengan
istilah doping sulfur.
Pada Gambar 4.12 (A) yang merupakan sampel ZnO murni, terdapat
kehadiran unsur Sn dan C yang berasal dari substrat FTO sebagai media
penumbuhan lapisan tipis ZnO dan dari pembakaran saat proses annealing
sampel. Hal ini dikarenakan sampel ZnO murni merupakan sampel dengan
lapisan paling tipis yang akan dikaji pada Sub-Bab berikutnya.
48
4.4.2 ZnO dan Se-ZnO
Morfologi permukaan ZnO dan Se-ZnO dianalisis dengan
menggunakan FESEM yang disajikan pada Gambar 4.13 dengan
perbesaran 30.000 kali.
Gambar 4.13 Foto FESEM nanorod dengan perbesaran 30.000 kali pada
(a) ZnO murni, (b) ZnO di-doping 0,025 mL Se (c) 0,05 mL
Se (d) 0,1 mL Se (e) 0,2 mL Se (skala: 200 nm).
49
Gambar 4.13 memperlihatkan sebaran dari partikel atau rod lebih
merata dan rapat setelah dilakukan pen-doping-an, yang artinya rod yang
tumbuh lebih banyak dan semakin rapat. Secara keseluruhan pada gambar
menunjukkan bahwa semua sampel Se-ZnO yang telah disintesis berupa
nanorod dan memiliki bentuk struktur heksagonal sebagaimana telah
dikonfirmasi pada pengukuran XRD. Ukuran diameter rod pada sampel
ZnO pure dan dan Se-ZnO tersebut ditunjukkan pada Tabel 4.6.
Tabel 4.6 Diameter nanorod ZnO pure dan Se-ZnO
No.
Sampel
Diameter (nm)
1
ZnO Pure
41,09 ± 8,13
2
Se 0,025 mL
51,023 ± 11,4
3
Se 0,05 mL
56,65 ± 8,93
4
Se 0,1 mL
63,33 ± 11,72
5
Se 0,2 mL
74,35 ± 12,93
Tabel 4.6 menunjukkan ukuran diameter sampel ZnO pure dan SeZnO. Terlihat bahwa pen-doping-an Se pada ZnO berpengaruh terhadap
diameter nanorod sampel yang ditumbuhkan, dimana semakin besar
penambahan volume larutan pen-doping maka semakin besar diameter
nanorod yang ditumbuhkan. Se-ZnO 0,1 mL dan 0,2 mL memiliki ukuran
nanorod yang lebih seragam dibandingkan sampel lainnya. Pen-doping-an
yang menghasilkan ukuran rod seragam dapat meningkatkan sifat optik
dan listrik dari nanostruktur ZnO (Kim dkk., 2014).
Hasil uji sampel melalui spektrum EDX dapat dilihat pada Gambar
4.14. Gambar tersebut memperlihatkan puncak-puncak kurva yang
menunjukan adanya unsur Zn, O, Se, C dan Sn. Setiap unsur memiliki
persentase berat yang berbeda-beda. Terlihat unsur zink (Zn) adalah unsur
paling dominan dengan tiga puncak dan memiliki puncak yang paling
tinggi dan memiliki puncak paling banyak diantara unsur yang lain.
Sedangkan unsur O hanya memiliki satu puncak. Unsur Se sebagai pendoping memiliki puncak yang sangat kecil. Diantara ketiga unsur yang
terdeteksi, unsur Se memiliki persentase berat yang paling kecil, secara
50
berturut-turut 0,1%; 0.2%; 0,5% dan 3,5% sesuai dengan komposisi pada
proses sintesis.
Pada Gambar 4.14 terlihat juga adanya unsur Stannum/timah (Sn)
dan karbon (C) yang terdeteksi. Unsur Sn merupakan unsur yang berperan
sebagai bahan dasar pembentuk substrat pada FTO yang dibentuk dari
senyawa SnO2 (timah (II) oksida) (Arini dkk., 2017). Unsur Sn hanya
terdeteksi pada sampel ZnO pure saja. Peristiwa ini muncul karena sampel
mengalami pengikisan, sehingga unsur pembentuk FTO (SnO2) terdeteksi.
Sedangkan untuk unsur karbon (C) yang terdeteksi, diduga berasal dari
proses pembakaran (annealing).
Gambar 4.14 Spektrum EDX sampel (a) ZnO Pure (b) Se 0,025 mL (c) Se
0,05 mL (d) Se 0,1 mL (e) Se 0,2 mL
51
Keseluruhan data spektrum EDX pada nanorod ZnO yang di-doping
Se benar-benar terdeteksi dan menandakan Se dapat berikatan dengan Zn
dan atom yang lainnya. Persentase berat masing-masing unsur didapat dari
spektrum EDX sedangkan persentase atom dihitung dari niilai presentase
berat yang dapat dilihat pada Tabel 4.7.
Tabel 4.7 Persentase atom dari unsur-unsur yang terkandung dalam
sampel ZnO Pure dan Se-ZnO
Sampel
ZnO Pure
Se 0,025 mL
Se 0,05 mL
Se 0,1 mL
Se 0,2 mL
Zn
34,83
53,99
51,13
51,09
51,45
Atom %
O
Se
Sn
46,61
9,93
45,96
0,05
48,77
0,1
48,65
0,26
46,66
1,89
C
8,63
-
Jumlah
(%)
100
100
100
100
100
SIFAT OPTIK
4.5.1 ZnO dan S-ZnO
Kemampuan penyerapan optik dari sampel ZnO murni dan S-ZnO dengan
variasi persentase doping S terhadap ZnO ditunjukkan pada Gambar 4.15.
Hasil spektrum absorbansi UV-Vis menunjukkan bahwa puncak
penyerapan optik terjadi pada rentang panjang gelombang 300-380 nm
dalam spektrum sinar UV. Sedangkan pada spektrum cahaya tampak (380800 nm) penyerapan optik yang terjadi melemah. Puncak penyerapan optik
yang berada pada panjang gelombang 378 nm ini sesuai dengan referensi
ZnO nanorod hasil penelitian Ali dkk (2018). Berdasarkan spektrum
absorbansi UV-Vis, tingkat penyerapan sampel S-ZnO meningkat seiring
bertambahnya persentase komposisi S terhadap ZnO. Hasil ini juga
didapatkan oleh Sharma dkk (2018). Sampel S-5% memiliki keunikan
tersendiri, yaitu pada rentang panjang gelombang 340-370 nm terjadi
peningkatan absorbansi yang cukup signifikan dibandingkan dengan
sampel yang lain.
52
Gambar 4.15 Spektrum absorbansi UV-Vis lapisan tipis ZnO murni dan SZnO
Absorbansi maksimum sampel ZnO murni dan S-1% memiliki
tingkat penyerapan terendah yaitu sebesar 1,80 a.u. Sedangkan tingkat
penyerapan tertinggi terjadi pada sampel S-5% sebesar 2,10 a.u. Sampel S10% dan S-2,5% memiliki nilai penyerapan 1,96 a.u dan 1,92 a.u. Namun,
dalam spektrum cahaya tampak, absorbansi terendah hingga tertinggi
berturut-turut terdapat pada sampel ZnO murni, S-1%, S-2,5%, S-5% dan
S-10%. Peningkatan nilai absorbansi ini mengindikasikan ketebalan
sampel yang semakin bertambah dengan adanya penambahan atom S.
Semakin tidak transparan sampel menandakan semakin banyak lapisan
yang terbentuk, sehingga semakin banyak atom-atom atau molekul ZnO
yang dihasilkan maka cahaya yang diserap akan semakin bertambah. Hal
ini juga dapat diduga berasal dari interaksi elektron antara ZnO dan S
dengan peningkatan komposisi sulfur (dalam proses sulfidasi) pada ZnO
(Liang dan Wang, 2018).
Kemampuan pemantulan optik dari sampel ZnO murni dan S-ZnO
dengan variasi persentase doping S pada ZnO dipelajari dengan
menganalisis spektrum reflektansi UV-Vis pada Gambar 4.16. Dari
gambar tersebut dapat diketahui bahwa tingkat pemantulan tertinggi terjadi
53
pada rentang panjang gelombang 380-800 nm dalam spektrum cahaya
tampak. Sedangkan tingkat pemantulan rendah terjadi pada spektrum UVVis (300-380 nm) yang merupakan kebalikan dari kurva spektrum
absorbansi.
Gambar 4.16 Spektrum reflektansi UV-Vis lapisan tipis ZnO murni dan SZnO
Berdasarkan spektrum reflektansi, sampel ZnO murni merupakan
sampel dengan tingkat pemantulan tertinggi, yaitu sebesar 29,7%
dibandingkan dengan sampel S-1%, S-2,5%, S-5% dan S-10% berturutturut sebesar 24,2%, 21,5%, 20,7% dan 20,5%. Dapat diketahui bahwa
sampel dengan penambahan sulfur nilai reflektansi UV-Vis mengalami
penurunan dan puncak pemantulan sampel bergeser ke arah panjang
gelombang yang lebih besar.
Penentuan energi gap dari suatu bahan semikonduktor dapat
ditentukan dari data penyerapan spektrum UV-Vis. Energi gap atau celah
energi itu sendiri adalah energi minimum yang diperlukan oleh elekton
untuk dapat berpindah dari tingkat energi rendah (pita valensi) ke tingkat
energi yang lebih tinggi (pita konduksi). Cahaya dengan energi foton yang
melebihi atau minimal sama dengan energi gap akan diserap oleh bahan
54
sehingga elekton pada pita valensi memiliki energi yang cukup untuk
tereksitasi.
Energi gap dari suatu bahan dapat diketahui dari hasil ekstrapolasi
kurva hυ vs (αhυ)2 yang merupakan hasil transformasi dari spektrum
reflektansi UV-Vis. Gambar 4.17 merupakan kurva plot Tauc dari hυ vs
(αhυ)2 lapisan tipis ZnO murni dan S-ZnO dengan variasi persentase
doping S terhadap ZnO.
Gambar 4.17 Kurva hasil ekstrapolasi (αhυ)2 vs (hυ) lapisan tipis S-ZnO
dengan Variasi Persentase Doping S (A) ZnO Murni, (B) S1%, (C) 2,5%, (D) S-5% dan (E) S-10%
55
Tabel 4.8 menunjukkan besarnya energi gap diperoleh dari
perpotongan garis lurus pada kurva terhadap hυ pada sumbu-X.
Berdasarkan Tabel 4.8 besarnya energi gap yang diperoleh berada pada
rentang 3,19-3,24 eV. Perolehan nilai energi gap ini semakin besar dengan
adanya penambahan sulfur seperti yang dijelaskan oleh Raleaooa dkk
(2017). Sehingga dapat kita ketahui bahwa penyerapan foton semakin
banyak sesuai dengan hasil spektrum absorbansi.
Tabel 4.8 Energi gap sampel ZnO murni dan S-ZnO
Sampel
Energi Gap (eV)
ZnO Murni
S-1%
3,20
3,19
S-2,5%
3,24
S-5%
3,23
S-10%
3,23
4.5.2 ZnO dan Se-ZnO
Spektrum absorpsi dari sampel tanpa dan dengan doping Se diperlihatkan
pada Gambar 4.18. Penyerapan kuat terjadi pada rentang panjang
gelombang 300-380 nm, sedangkan penyerapan lemah terjadi pada
panjang gelombang 380-800 nm. Peristiwa ini sesuai dengan penelitian
dari Wang (2004) yang melaporkan penyerapan kuat lapisan tipis ZnO
terjadi pada rentang panjang gelombang ultra violet (UV), sedangkan
penyerapan lemah terjadi pada rentang visible (cahaya tampak). Panjang
gelombang cahaya tampak memiliki penyerapan lemah menandakan
karakteristik dari semikonduktor ZnO (Surono dan Sutanto., 2014).
56
Gambar 4.18 Spektrum absorpsi UV-Vis pada sampel ZnO pure dan SeZnO
Peningkatan intensitas absorpsi pada rentang panjang gelombang
300-380 mengakibatkan elektron dari sampel tereksitasi dari tingkat energi
rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi, sementara penurunan intensitas
absorpsi tidak memiliki energi yang cukup besar untuk dapat mengeksitasi
elektron dari tingkat energi terendah ke tingkat energi yang lebih tinggi.
Jika suatu sampel mempunyai nilai absorbansi yang tinggi, maka dapat
dikatakan menjadi salah satu sifat optik yang diharapkan pada sel surya
perovskite.
Gambar 4.19 memperlihatkan spektrum reflektansi dari sampel tanpa
dan dengan doping Se. Reflektansi atau pemantulan paling lemah terjadi
pada rentang panjang gelombang 300-380 nm, sementara pemantulan lebih
kuat terjadi pada rentang panjang gelombang 380-800 nm. Penyerapan
cahaya lebih sedikit dibandingkan cahaya yang dipantulkan pada rentang
panjang gelombang 380-800 nm, dan sebaliknya pada rentang panjang
gelombang 300-380 nm penyerapan cahaya lebih banyak dari pada
pemantulan cahaya. Hal ini akan menghasilkan arus listrik yang lebih besar
jika diaplikasikan pada PSC.
57
Gambar 4.19 Spektrum reflektansi UV-Vis pada sampel ZnO pure dan
Se-ZnO
Spektrum UV-Vis tidak hanya memberikan informasi tentang tingkat
penyerapan dan pemantulan dari sampel, tetapi juga memberikan informasi
terkait sifat optik seperti energi gap yang ditunjukkan pada Gambar 4.20.
Energi gap merupakan salah satu faktor penentu dalam
pengaplikasian yang tepat suatu material. Energi gap menunjukkan
pergerakan elektron dalam melintasi pita valensi menuju pita konduksi.
Agar elektron pada pita valensi dapat berpindah ke pita konduksi, maka
besarnya energi foton yang diberikan atau yang diterima oleh elektron
minimal harus sama dengan besarnya energi gap pada sampel (Surono dan
Sutanto., 2014).
Energi gap dapat diperoleh dari spektrum reflektansi yang
ditransformasi menjadi grafik (αhυ)2 vs (hυ), dengan sumbu vertikalnya
adalah (αhυ)2 dan sumbu horizontalnya adalah (hυ). Nilai energi gap
diperoleh dengan mengekstrapolarasi garis linear ke sumbu-X (sumbu
(hυ). Energi gap hasil perhitungan dari setiap sampel ditunjukkan pada
Tabel 4.9.
58
Gambar 4.20 Energi gap (a) ZnO Pure (b) Se 0,025 mL (c) Se 0,05 mL (d)
Se 0,1 mL (e) Se 0,2 mL
59
Tabel 4.11 Energi gap ZnO Pure dan Se-ZnO
Sampel
Energi Gap (eV)
ZnO Pure
Se 0,025 mL
Se 0,05 mL
Se 0,1 mL
Se 0,2 mL
3,29
3,28
3,27
3,27
3,26
Berdasarkan Tabel 4.9 nanomaterial ZnO murni memiliki energi gap
sebesar 3,29 eV. Energi gap turun seiring dengan bertambahnya volume
larutan pen-doping (persen atomik Se/ZnO). Sampel Se-ZnO 0,2 mL
memiliki energi gap terendah yaitu sebesar 3,26 eV. Penurunan energi gap
yang kecil menunjukkan munculnya pita energi tambahan dari unsur pendoping ke dalam pita konduksi ZnO dan dikarenakan rendahnya energi gap
Se-ZnO ~2,7 eV (Liu dkk., 2007). Berkurangnya lebar celah pita valensi
ke pita konduksi mengindikasikan bahwa elektron lebih banyak mengalami
transisi elektronik dari pita valensi ke pita konduksi (Duan dkk., 2006).
60
5
APLIKASI SEMIKONDUKTOR
OKSIDA PADA PSC
FABRIKASI SEL SURYA PEROVSKITE
Hasil sintesis lapisan tipis semikonduktor oksida yang telah dipaparkan
pada bab 4, selanjutnya diaplikasikan sebagai ETM pada sel surya
perovskite. Pada penelitian ini, piranti sel surya perovskite (Perovskite
Solar Cells, PSC) dibuat dengan arsitektur konvensional (n-i-p). Fabrikasi
PSC yang dilakukan adalah menambahkan lapisan perovskite, lapisan
pentransport lubang dan elektroda logam secara berturut-turut di atas
lapisan semikonduktor oksida TiO2, ZnO murni, S-ZnO dan Se-ZnO yang
telah di sintesis.
5.1.1 Sintesis dan Deposisi Material Perovskite
Perovskite yang dibuat pada penelitian ini adalah methylammonium lead
iodide (MLI) dengan rumus kimia CH3NH3PbI3. Mekanisme sintesis dan
deposisi perovskite ditunjukkan pada Gambar 5.1.
Sintesis perovskite dilakukan dalam dua tahap, pertama dibuat
larutan lead (II) iodide (PbI2) 0,87 M dalam 1,0 mL dimetilformamide
kemudian di-stirrer 1000 rpm pada suhu 100 oC selama 4 jam. Setelah itu,
larutan PbI2 diteteskan di atas lapisan TiO2 atau ZnO yang telah
ditumbuhkan dan dilakukan spin coating dengan kecepatan 3000 rpm
selama 10 detik. Kemudian sampel dipanaskan di atas hot plate
menggunakan piring petri pada suhu 110 oC selama 5 menit. Tahap kedua,
yaitu melarutkan methylammonium iodide (MAI) dengan rumus kimia
CH3NH3I dalam 1,0 mL 2-propanol untuk konsentrasi 0,25 M. Larutan ini
kemudian diteteskan di atas FTO/ TiO2 atau ZnO/PbI2 dan dilakukan
proses spin coating sama seperti PbI2. Terakhir, sampel dipanaskan selama
30 menit pada suhu 110 oC.
61
Gambar 5.1 Proses sintesis dan deposisi perovskite
5.1.2 Sintesis dan Deposisi Hole Transport Material
Sintesis material pengangkut lubang atau HTM pada PSC digunakan bahan
poly(triarylamine) atau PTAA. Larutan dibuat dengan mencampurkan 5
mg serbuk PTAA dalam 0,25 mL cloro benzene. Selanjutnya dilakukan
spin-coating di atas lapisan perovskite dengan kecepatan 3000 rpm selama
20 detik dan dipanaskan pada suhu 120oC selama 10 menit.
62
Gambar 5.2 Proses sintesis dan deposisi lapisan HTM
5.1.3 Pembuatan Elektroda Logam
Pada sel surya perovskite, diperlukan elektroda logam yang bekerja
sebagai elektroda lawan. Logam yang digunakan pada penelitian ini adalah
Platinum (Pt). Pembuatan elektroda logam dilakukan dengan cara
sputtering diatas FTO/TiO2 atau ZnO/ perovskite/PTAA.
PENGUJIAN KINERJA SEL
Uji kinerja sel surya perovskite dilakukan menggunakan seperangkat alat
uji yang terdiri dari Keithley 2401 sebagai sumber tegangan yang
terhubung dengan komputer dan Newport Oriel LCS-100 yang dilengkapi
lampu xenon dan filter AM 1,5G sebagai simulator surya. Pengujian
dilakukan dengan menghubungkan kutub positif ke substrat FTO dan
kutub negatif ke elektroda logam kemudian diberikan tegangan mulai dari
-1 Volt sampai dengan 1 Volt untuk mendapatkan besarnya arus yang
dihasilkan. Pengukuran I-V dilakukan dalam dua keadaan, yaitu keadaan
gelap (tanpa cahaya) dan pada keadaan terang menggunakan cahaya lampu
xenon dengan intensitas penyinaran 100 mW/cm² yang telah disimulasi
dengan filter AM 1.5G seperti cahaya matahari pada pukul 12.00 siang.
Pengujian dijalankan dengan software LabTracer 2.9 yang kemudian
diolah sehingga didapatkan data arus dan tegangan yang dihasilkan dan
juga kurva I-V.
63
PENENTUAN FILL FACTOR (FF) DAN EFISIENSI
Setelah melakukan uji kinerja sel, lanjutnya dilakukan penentuan FF dan
efisiensi sel surya dengan membandingkan arus terhadap luas daerah aktif
untuk mendapatkan nilai rapat arus dan kemudian menentukan J
dan V . Hasil perkalian JSC dan VOC maksimum dijadikan sebagai nilai
VMPP dan IMPP yang selanjutnya akan dihitung nilai FF dan efisiensi
menggunakan persamaan (2.1) dan (2.2).
KINERJA PSC BERBASIS SEMIKONDUKTOR OKSIDA
5.4.1 TiO2
Pengaruh waktu penumbuhan dari TiO2 terhadap kinerja PSC telah
dilakukan dengan pengukuran I-V di bawah paparan sinar cahaya lampu
xenon 100 mW/cm2. Stuktur piranti saat pengujian sel ditunjukan pada
Gambar 5.3.
Gambar 5.3 Rangkaian sel surya perovskite saat pengujian I-V
Kurva J-V untuk sel surya dengan variasi waktu penumbuhan TiO2
dalam kondisi gelap ditunjukkan dalam Gambar 5.4. Karakterisitik I-V
memperlihatkan tipikal karakteristik dioda semikonduktor. Hal ini
ditunjukkan dengan adanya garis lengkung karakteristik dioda yang
merupakan hubungan antara arus dioda dan tegangan antara kedua ujung
64
dioda (Sutrisno, 1986). Dapat dilihat bahwa dalam kondisi tidak disinari
cahaya (gelap), arus meningkat secara eksponensial.
Menurut Labib dan Saputro (2012) ketika tidak ada cahaya yang
membangkitkan eksiton, maka elektron yang mengalir pada rangkaian
adalah elektron yang tereksitasi akibat pemberian beda potensial pada sel.
Semakin kecil beda potensial yang dibutuhkan elektron untuk tereksitasi
(kenaikan arus yang cepat) maka akan semakin baik pula kerja sel surya
tersebut. Seperti terlihat pada Gambar 5.4, bahwa sampel T2-2 mengalami
pergerakan arus yang lebih cepat dibanding dengan sampel lainnya.
Terlihat juga pada sampel T2-4 pada beda potensial 2,5 V, arus menjadi
tidak konsisten lagi.
Gambar 5.4 Kurva I-V dalam keadaan gelap dari sel surya perovskite
dengan variasi waktu penumbuhan TiO2
Karakteristik sel surya juga diukur saat disinari cahaya berintensitas
100 mW/cm2 dengan menggunakan filter AM1.5G. Gambar 5.5
merupakan hasil J-V dari sel surya perovskite dalam keadaan disinari
cahaya. Gambar tersebut merupakan plot kurva pada kuadran empat saja
agar dapat dilihat lebih jelas perbedaan nilai efisisensi dari setiap variasi
sampel.
65
T2-0
T2-1
T2-2
T2-3
T2-4
Gambar 5.5 Kurva J-V ketika disinari cahaya dari sel surya perovskite
dengan variasi waktu penumbuhan TiO2
Ketika sel disinari, maka elektron yang berasal dari perovskite akan
mengalir ke TiO2 dan lubang akan diteruskan ke lapisan PTAA. Dari kurva
J-V dapat ditentukan parameter fisis VOC dan JSC. Dari parameter tersebut
FF dan nilai efisiensi (dapat dihitung seperti yang ditampilkan pada
Tabel 4.12. Semakin besar waktu penumbuhan tidak memberikan dampak
yang baik terhadap kinerja sel surya, diperlihatkan dengan menurunnya
rapat arus (JSC) pada sampel T2-3 dan T2-4 pada Tabel 5.1. Rapat arus
yang optimum justru terjadi pada sampel T2-2.
Tabel 5.1 Data pengukuran dan perhitungan sel surya perovskite berbasis
TiO2 dengan variasi waktu penumbuhan
T2-0
VOC
(Volt)
0,60
JSC
(mAcm-2)
0,329
0,526

(%)
0,10
T2-1
0,54
0,720
0,483
0,19
T2-2
0,47
1,071
0,453
0,23
T2-3
0,55
1,033
0,377
0,22
T2-4
0,51
1,036
0,395
0,21
Sampel
FF
66
Meningkatnya nilai rapat arus disebabkan oleh serapan cahaya yang
lebih banyak pada ketebalan TiO2 yang tepat sehingga elektron mengalir
dengan baik. Kinerja sel surya perovskite terbaik hasil karakterisasi J-V
diperoleh dari sampel T2-2 dengan waktu penumbuhan lapisan pertama
selama 2 jam dan ditambah 2 jam untuk pelapisan berikutnya pada suhu
50oC yaitu sebesar 0,23% (Tabel 4.12).
Hasil ini menunjukkan bahwa nilai efisiensi tidak dapat diasumsikan
berdasarkan nilai serapan UV-Vis, morfologi dan struktur bahan ETM saja,
dimana hasil karakterisasi UV-Vis, FESEM, dan XRD sebelumnya
menunjukkan bahwa sampel T2-4 adalah sampel yang memiliki nilai
serapan, morfologi dan kristalinitas yang terbaik. Kinerja sel surya sendiri
sebenarnya selain dipengaruhi oleh ketebalan TiO2 itu sendiri juga
dipengaruhi oleh parameter lain seperti luas permukaan, hambatan antar
muka yang tidak diukur. Wu dkk (2015) telah melaporkan bahwa ketebalan
TiO2 yang optimum untuk sel surya perovskite adalah sekitar 65 nm.
5.4.2 ZnO dan S-ZnO
Hasil uji kinerja sel surya perovskite ditampilkan dalam bentuk kurva J-V.
Gambar 4.24 menunjukkan kurva J-V sampel PSC berbasis ZnO murni dan
S-ZnO sebagai ETM dalam kondisi gelap dengan variasi doping S terhadap
ZnO. Dapat dilihat bahwa dalam kondisi tidak disinari cahaya (gelap), arus
meningkat secara eksponensial.
Terlihat pada Gambar 5.6 sampel dengan doping sulfur terbesar (S10%) mengalami peningkatan arus yang paling signifikan. Adapun sampel
ZnO murni terjadi pergerakan arus yang lambat. Hal ini sejalan dengan
elektron yang tereksitasi akibat adanya tegangan yang diberikan saat tanpa
disinari cahaya. Namun, dapat dilihat bahwa saat tegangan bernilai nol,
tidak terlalu tepat karena terjadinya peningkatan pada arus listrik. Hal ini
disebabkan karena lapisan ZnO atau S-ZnO tidak cukup tebal menutupi
permukaan FTO sehingga bahan penyerap perovskite yang berada
diatasnya dapat tembus ke substrat FTO yang berada dibawah S-ZnO
sehingga menyebabkan arus cepat mengalami kenaikan.
67
Gambar 5.6 Kurva J-V dalam keadaan gelap sel surya perovskite S-ZnO
Gambar 5.7 menunjukkan kurva J-V dari sel surya perovskite
berbasis ZnO atau S-ZnO dalam keadaan disinari cahaya. Gambar tersebut
memperlihatkan plot kurva berada pada kuadran empat saja. Hal ini
bertujuan agar dapat dilihat lebih jelas perbedaan nilai Voc dan Jsc dari
masing-masing sampel. Pada prinsipnya, bahan perovskite akan menyerap
cahaya ketika sel disinari. Sehingga tercipta pasangan elektron dan hole
(lubang) yang selanjutnya berpindah sesuai pita energinya. Elektron akan
mengalir ke ZnO atau S-ZnO dan lubang akan diteruskan ke lapisan PTAA.
Dari kurva J-V pada Gambar 5.7 dapat ditentukan nilai VOC dan JSC yang
selanjutnya dihitung nilai FF dan efisiensi (menggunakan persamaan
2.1 dan 2.2. Data nilai parameter fisis hasil uji kinerja PSC ditampilkan
pada Tabel 5.2.
68
Gambar 5.7 Kurva J-V dalam keadaan terang sel surya perovskite S-ZnO
Tabel 5.2 Data hasil pengukuran dan perhitungan PSC berbasis S-ZnO
Sampel
Voc (V)
Jsc (mAcm-2)
FF

ZnO Pure
0,246
0,382
0,309
0,029
S-1%
0,305
0,602
0,310
0,057
S-2,5%
0,324
0,663
0,317
0,068
S-5%
0,331
0,698
0,346
0,080
S-10%
0,375
0,894
0,280
0,094
Sampel dengan efisiensi PSC tertinggi adalah S-10% dengan efisiensi
sebesar 0.094%. Semakin besar doping sulfur yang diberikan memberikan
efek positif terhadap kinerja sel surya perovskite. Hal ini ditunjukkan pada
nilai densitas arus dari sampel yang mengalami peningkatan. Peningkatan
rapat atau densitas arus mengindikasi bahwa mobilitas elektron yang lebih
tinggi. Hal ini disebabkan karena penyerapan cahaya lebih banyak terjadi
dengan penambahan atom sulfur seperti yang telah dijelaskan pada SubBab sebelumnya. Oleh karena itu, nilai efisiensi sampel yang didapat
semakin tinggi.
Berdasarkan hasil karakterisasi XRD, FESEM dan spektroskopi UVVis menunjukkan bahwa nilai efisiensi dan kinerja PSC dapat dipengaruhi
69
oleh sifat fisis berupa struktur kristal, morfologi, absoransi dan energi gap
dari sampel. Sampel dengan sifat fisis dan kinerja sel terbaik dimiliki oleh
sampel dengan doping sulfur terbesar, yaitu S-10% yang diaplikasikan
sebagai material pentranspor elektron, ETM pada PSC. Oleh karena itu,
dengan adanya penambahan atom sulfur pada smeikonduktor ZnO telah
menunjukkan efek positif terhadap kinerja sel surya perovskite.
5.4.3 ZnO dan Se-ZnO
Lapisan tipis ZnO murni dan Se-ZnO diaplikasikan sebagai ETM (electron
transport material) pada perovskit solar cell, PSC. Pengukuran uji kinerja
sel pada PSC dilakukan dalam keadaan gelap (tidak disinari) dan dalam
keadaan terang (disinari) menggunakan perangkat I-V Keithley dengan
software Labtracer 2.0. Gambar 5.8 memperlihatkan kurva karakteristik JV dalam keadaan gelap yang merupakan kurva karakteristik dengan
tegangan masukan sebesar 0 Volt sampai 1 Volt.
Gambar 5.8 Kurva J-V dalam keadaaan gelap dari sel surya perovskite
Se-ZnO
Secara umum kurva yang terbentuk dari karakteristik J-V pada
keadaan gelap menyerupai pola kurva karakteristik dioda semikonduktor
pada bias maju, yang ditunjukan dengan adanya kurva karakteristik dioda
yang merupakan hubungan antara arus dioda dan tegangan antara kedua
ujung dioda (Sutrisno, 1986). Dapat dilihat bahwa dalam kondisi gelap,
70
besarnya arus meningkat secara acak, dimana informasi yang didapat tidak
konsekuen terhadap naik atau turunya variasi penambahan larutan Se yang
diberikan. Gambar 5.9 memperlihatkan kurva karakteristi J-V pada
keadaan terang (disinari).
Gambar 5.9 Kurva J-V dalam keadaan terang sel surya perovskite Se-ZnO
Kurva karakteristik J-V pada keadaan terang yang terbentuk, terletak
pada kuadran keempat (Sze dan Ng, 2006). Pada Gambar 5.9 menunjukkan
daerah yang luas (daya maksimum) terlihat pada Se-ZnO 0,1 mL dan
daerah yang terkecil terlihat pada ZnO pure. Tabel 4.14 memaparkan hasil
dari parameter fisis seperti Voc, Jsc, FF dan dari kurva karakteristik
keadaan terang. Penentuan nilai efisiensi masing-masing sampel dihitung
dengan menggunakan Persamaan 2.1 dan 2.2.
Tabel 5.3 Hasil data pengukuran dan perhitungan PSC pada Se-ZnO
Sampel
Voc (V)
Jsc (mAcm-2)
FF

ZnO Pure
0,215
0,006
0,232
0,0003
Se 0,25 mL
0,275
0,013
0,327
0,001
Se 0,05 mL
0,308
0,015
0,236
0,002
Se 0,1 mL
0,335
0,016
0,441
0,003
Se 0,2 mL
0,328
0,016
0,269
0,002
71
Terlihat pada Tabel 5.3 nilai efisiensi tertinggi 0,003% dihasilkan
pada sel surya perovskite dengan sampel Se 0,1 mL. Nilai efisiensi
terendah 0.0003% dihasilkan pada sampel ZnO tanpa doping (ZnO Pure).
Meningkatnya rapat arus pada titik daya maksimum disebabkan sampel
ZnO yang tumbuh memiliki diameter yang kecil sehingga banyak cahaya
yang terserap ke dalam ZnO. Hal inilah yang menyebabkan banyaknya
elektron yang dihasilkan menuju mengalir menuju elektroda lawan.
Penurunan kinerja perangkat PSC dan rendahnya efisiensi yang
didapat disebabkan karena bahan prekursor perovskite seperti CH3NH3I
dan PbI2 mudah menyerap udara ketika terpapar di ruang terbuka (Chen
dkk., 2019). Wang (2019) juga menyebutkan nilai efisiensi yang rendah
disebabkan karena adanya udara yang terperangkap dalam sampel setelah
dilapisi dengan lapisan perovskite yang akhirnya menyebakan prekursor
perovskite terurai dan terkontaminasi. Pen-doping-an yang dilakukan pada
Se-ZnO menyebabkan peningkatan nilai efisiensi dari 0,0003% (PSC
berbasis ZnO pure) menjadi 0,003% (PSC berbasis Se-ZnO) dan
peningkatan nilai rapat arus sebesar 0,013 mAcm-2 serta fill factor sebesar
0,441. Hasil ini memperlihatkan bahwa pen-doping-an Se terhadap ZnO
memberikan efek positif terhadap kinerja sel surya perovskite, yaitu
dengan meningkatnya nilai efisiensi hingga 10 kali lipat. Semakin tinggi
rapat arus yang dihasilkan akibat pemberian tegangan masukan, maka nilai
efisiensi yang dihasilkan akan semakin meningkat (Shabannia dan Abu
Hassan, 2014).
72
6
PENUTUP
KESIMPULAN
Sifat fisis semikonduktor tergantung kepada cara penyediaannya.
Semikonduktor lapisan tipis TiO2 disintesis menggunakan metode deposisi fasa
cair dengan variasi waktu penumbuhan. Adapun lapisan tipis ZnO yang didoping, yaitu S-ZnO dan Se-ZnO disintesis menggunakan metode seedmediated hydrothermal dengan variasi doping S atau Se terhadap ZnO.
Pola XRD lapisan tipis TiO2 memberikan informasi bahwa terdapat empat
puncak difraksi pada sudut 2θ: 25,50o, 37,92o, 48,04o, 54,84o mengindikasikan
kehadiran TiO2 anatase dengan orientasi kristal (101), (004), (200), dan (105).
Sampel ZnO murni, S-ZnO dan Se-ZnO menunjukan puncak difraksi pada sudut
2θ = 34,43°; 36,26° dan 47,54° merupakan fase kristal dari ZnO dengan bidang
kristal (002), (101) dan (102). Pemberian atom S maupun Se mengakibatkan
terjadinya pergeseran puncak difraksi terhadap fasa ZnO murni.
Karakterisasi FESEM menunjukkan ukuran diameter TiO2 yang dihasilkan
rata-rata sekitar 10-50 nm untuk semua sampel. Bentuk partikel yang dihasilkan
adalah seperti bola. Bentuk geometri dari hasil foto FESEM sampel ZnO murni,
S-ZnO dan Se-ZnO adalah nanorod dengan penampang heksagonal. Semakin
banyak komposisi S atau Se yang diberikan, memperlihatkan permukaan
nanorod menjadi semakin kasar dan rapat. Selain itu, juga terjadi penambahan
ukuran diameter nanorod. Ukuran diameter rata-rata nanorod S-ZnO adalah
berkisar 37,02 ± 7,046 nm hingga 69,22 ± 20,731 nm. Sedangkan Se-ZnO
berkisar 41,09 ± 8,13 nm hingga 74,35 ± 12,93 nm.
Hasil karakterisasi UV-Vis lapisan tipis TiO2 memberikan informasi
bahwa terjadinya penyerapan sampel pada rentang panjang gelombang 300-450
nm untuk semua sampel. Nilai pita celah energi lapisan TiO2 yang diperoleh
adalah sebesar 3,00 – 3,32 eV (>3 eV). Spektrum absorbansi dan reflektansi
UV-Vis sampel ZnO murni, S-ZnO dan Se-ZnO menunjukkan bahwa puncak
penyerapan dan pemantulan optik untuk semua sampel berturut-turut terjadi
pada rentang panjang gelombang 300-380 nm dan 380-800 nm. Hasil
73
ekstrapolasi dari kurva (αhυ)2 vs (hυ) memperoleh energi gap sampel sebesar
3,19-3,28 eV.
Karakterisasi I-V menunjukkan bahwa sel menghasilkan efisiensi tertinggi
dengan ETM TiO2 adalah sampel T2-2, yaitu sebesar 0,23%. Sel surya
perovskite berbasis S-ZnO dengan efisiensi tertinggi sebesar 0,094% dihasilkan
oleh sampel doping S terbesar yaitu 10%. Adapun sampel yang di doping Se
memberikan efisiensi sel surya perovskite sebesar 0,003% yang didapatkan dari
penambahan Se 0,1 mL pada ZnO. Sampel tersebut jelas memberikan efek
positif terhadap efisiensi sel karena mengalami peningkatan 10 kali lipat
dibandingkan dengan sampel ZnO murni.
Hasil karakterisasi berupa struktur kristal, morfologi, komposisi unsur,
tingkat absorbansi, reflektansi serta energi gap dari sampel menunjukkan bahwa
lapisan tipis TiO2, nanorod ZnO, S-ZnO dan Se-ZnO yang diapliksikan sebagai
material pentranspor elektron berpotensi dapat meningkatkan kinerja sel surya
perovskite.
SARAN
Lapisan tipis TiO2 sangat sensitif terhadap kelembaban udara tempat sampel
disimpan. Disarankan untuk melakukan karakterisasi dan pengujian sel tidak
lama setelah sampel dibuat. Penelitian selanjutnya disarankan untuk melakukan
pendopingan sulfur yang lebih besar dari 10% terhadap ZnO.untuk didapatkan
efesiensi sel yang lebih tinggi, disarankan untuk melakukan variasi parameter
fisis yang berbeda seperti menganalisa ketebalan setiap lapisan, variasi
konsentrasi prekursor, variasi suhu annealing dan variasi metode penumbuhan
lain.
74
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah, M., & Khairurrijal. (2008). Review : Karakterisasi Nanomaterial
Review : Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains Dan Nanoteknolgi,
2(Februari 2009), 1–9. https://doi.org/10.1054/math.2002.0452
Ali, A., Rahman, G., Ali, T., Nadeem, M., Hasanain, S. K., & Sultan, M. (2018).
Enhanced band edge luminescence of ZnO nanorods after surface
passivation with ZnS. Physica E: Low-Dimensional Systems and
Nanostructures, 103, 329–337.https://doi.org/10.1016/j.physe.2018.06.028
Alshammari, A. S., Chi, L., Chen, X., Bagabas, A., Kramer, D., Alromaeh, A.,
& Jiang, Z. (2015). Visible-light photocatalysis on C-doped ZnO derived
from polymer-assisted pyrolysis. RSC Advances, 5(35), 27690–27698.
https://doi.org/10.1039/c4ra17227b
Alyamani, A., & Lemine, O. M. (2012). FE-SEM Characterization of Some
Nanomaterial. In Scanning Electron Microscopy (Issue March, pp. 463–
472). InTech. https://doi.org/10.5772/34361
Amanati, W., & Sutanto, H. (2014). Analisis sifat optik lapisan tipis bilayer zno
/ tio 2 yang dideposisikan menggunakan metode sol-gel spray coating.
Youngster Physic Journal, 3(3), 41–44.
Arini, T., Lalasari, L. H., Yuwono, A. H., Firdiyono, F., Andriyah, L., & Subhan,
A. (2017). Pengaruh waktu deposisi dan temperatur substrat terhadap
pembuatan kaca konduktif fto (fluorine-doped tin oxide). Metalurgi.
https://doi.org/10.14203/MTL.V32I1.321
Azeti, R. A., Sugihartono, I., Fauzia, V., & Manawan, M. (2016). Sintesis
Nanorods Seng Oksida (ZnO) di Atas Substrat Silikon (111) Menggunakan
Metode Hidrotermal. Jurnal PPI KIM Ke-42, 111, 262–271.
Bauer, C., Boschloo, G., Mukhtar, E., & Hagfeldt, A. (2001). Electron injection
and recombination in Ru(dcbpy)2(NCS)2 sensitized nanostructured Zno.
Journal of Physical Chemistry B. https://doi.org/10.1021/jp004121x
Beiser, A. (2003). BOOKS: Concepts of Modern Physics. McGraw-Hill.
https://doi.org/10.1119/1.2352394
Buraso, W., Lachom, V., Siriya, P., & Laokul, P. (2018). Synthesis of TiO2
nanoparticles via a simple precipitation method and photocatalytic
performance.
Materials
Research
Express,
5(11),
0–10.
75
https://doi.org/10.1088/2053-1591/aadbf0
Chen, L. C., Tu, Y. J., Wang, Y. S., Kan, R. S., & Huang, C. M. (2008).
Characterization and photoreactivity of N-, S-, and C-doped ZnO under UV
and visible light illumination. Journal of Photochemistry and Photobiology
A:
Chemistry,
199(2–3),
170–178.
https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2008.05.022
Chen, R., Cao, J., Duan, Y., Hui, Y., Chuong, T. T., Ou, D., Han, F., Cheng, F.,
Huang, X., Wu, B., & Zheng, N. (2019). High-Efficiency, Hysteresis-Less,
UV-Stable Perovskite Solar Cells with Cascade ZnO-ZnS Electron
Transport Layer [Research-article]. Journal of the American Chemical
Society, 141(1), 541–547. https://doi.org/10.1021/jacs.8b11001
Chen, Y., Wang, L., Wang, W., & Cao, M. (2017). Synthesis of Se-doped ZnO
nanoplates with enhanced photoelectrochemical and photocatalytic
properties.
Materials
Chemistry
and
Physics.
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.07.036
Danilchuk, D., Nour, B., & Dahal, L. (2016). Development of Low-cost Hybrid
Perovskite Solar Cells. Proceedings of The National Conference On
Undergraduate Research, 1–7.
Dar, M. I., Chandiran, A. K., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K., & Shivashankar,
S. A. (2014). Controlled synthesis of TiO2 nanoparticles and nanospheres
using a microwave assisted approach for their application in dye-sensitized
solar cells. Journal of Materials Chemistry A, 2(6), 1662–1667.
https://doi.org/10.1039/c3ta14130f
Deki, S., Aoi, Y., Okibe, J., Yanagimoto, H., Kajinami, A., & Mizuhata, M.
(1997). Preparation and characterization of iron oxyhydroxide and iron
oxide thin films by liquid-phase deposition. 7(9), 1769–1772.
Deulkar, S. H., Huang, J. L., & Neumann-Spallart, M. (2010). Zinc oxysulfide
thin films grown by pulsed laser deposition. Journal of Electronic
Materials, 39(5), 589–594. https://doi.org/10.1007/s11664-009-1069-8
Duan, L., Lin, B., Zhang, W., Zhong, S., & Fu, Z. (2006). Enhancement of
ultraviolet emissions from ZnO films by Ag doping. Applied Physics
Letters. https://doi.org/10.1063/1.2211053
Eya, D. D. O., Ekpunobi, A. J., & Okeke, C. E. (2005). Structural and Optical
Properties and Applications of Zinc Oxide Thin Films Prepared by
Chemical Bath Deposition Technique. The Pacific Journal of Science and
Technology, 6(1), 16–22.
76
Falk, G. S., Borlaf, M., López-Muñoz, M. J., Fariñas, J. C., Rodrigues Neto, J.
B., & Moreno, R. (2018). Microwave-assisted synthesis of TiO2
nanoparticles: photocatalytic activity of powders and thin films. Journal of
Nanoparticle Research. https://doi.org/10.1007/s11051-018-4140-7
Fang, X., Zhai, T., Gautam, U. K., Li, L., Wu, L., Bando, Y., & Golberg, D.
(2011). ZnS nanostructures: From synthesis to applications. Progress in
Materials
Science,
56(2),
175–287.
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.10.001
Farag, A. A. M., Cavas, M., Yakuphanoglu, F., & Amanullah, F. M. (2011).
Photoluminescence and optical properties of nanostructure Ni doped ZnO
thin films prepared by sol-gel spin coating technique. Journal of Alloys and
Compounds,
509(30),
7900–7908.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.009
Ginting, R. T., Jung, E. S., Jeon, M. K., Jin, W. Y., Song, M., & Kang, J. W.
(2016). Low-temperature operation of perovskite solar cells: With
efficiency improvement and hysteresis-less. Nano Energy, 27, 569–576.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.08.016
Green, M. A., Hishikawa, Y., Dunlop, E. D., Levi, D. H., Hohl-Ebinger, J., &
Ho-Baillie, A. W. Y. (2018). Solar cell efficiency tables (version 52).
Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 26(7), 427–436.
https://doi.org/10.1002/pip.3040
Guti´errez-Tauste, D., Dom`enech a, X., Casa˜n-Pastor, N., & Jos´eA, A. a.
(2007). Characterization of methylene blue / TiO 2 hybrid thin films
prepared by the liquid phase deposition ( LPD ) method : Application for
fabrication of light-activated colorimetric oxygen indicators. Elsevier, 187,
45–52. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2006.09.011
Hidayanto, E., Sutanto, H., & Firdausi, K. S. (2013). Pembuatan lapisan
fotokatalis zinc oxide (zno) dengan teknik spray coating dan aplikasinya
pada pengering jagung. Berkala Fisika, 16(4), 119–124.
Hodes, G. (2002). Chemical Solution Deposition Of Semiconductor Films. In
Chemical
Solution
Deposition
Of
Semiconductor
Films.
https://doi.org/10.1201/9780203909096
Hong, H. S., & Chung, G. S. (2014). Controllable growth of oriented ZnO
nanorods using Ga-doped seed layers and surface acoustic wave humidity
sensor.
Sensors
and
Actuators,
B:
Chemical.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.12.120
77
Hou, R., Fu, Y. Q., Hutson, D., Zhao, C., Gimenez, E., & Kirk, K. J. (2016). Use
of sputtered zinc oxide film on aluminium foil substrate to produce a
flexible and low profile ultrasonic transducer. Ultrasonics, 68, 54–60.
https://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.02.008
Hussain, I., Tran, H. P., Jaksik, J., Moore, J., Islam, N., & Uddin, M. J. (2018).
Functional materials, device architecture, and flexibility of perovskite solar
cell.
Emergent
Materials,
1(3–4),
133–154.
https://doi.org/10.1007/s42247-018-0013-1
Iwantono, I., Md Saad, S. K., Anggelina, F., Awitdrus, A., Ramli, M. A., &
Umar, A. A. (2019). Enhanced charge transfer activity in Au nanoparticles
decorated ZnO nanorods photoanode. Physica E: Low-Dimensional
Systems
and
Nanostructures,
111,
44–50.
https://doi.org/10.1016/j.physe.2019.03.001
Jana, N. R., Gearheart, L., & Murphy, C. J. (2001). Wet chemical synthesis of
high aspect ratio cylindrical gold nanorods. Journal of Physical Chemistry
B, 105(19), 4065–4067. https://doi.org/10.1021/jp0107964
Jia, W., Jia, B., Qu, F., & Wu, X. (2013). Towards a highly efficient simulated
sunlight driven photocatalyst: A case of heterostructured ZnO/ZnS hybrid
structure.
Dalton
Transactions,
42(39),
14178–14187.
https://doi.org/10.1039/c3dt51712h
Jothi Ramalingam, R., Shukla, A. K., Kombaiah, K., Vijaya, J. J., & Tawfeek,
A. M. (2017). Synthesis, characterization and optical properties of sulfur
and fluorine doped ZnO nanostructures for visible light utilized catalysis.
Optik, 148, 325–331. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.08.129
Journal, Y. P., Fisika, J., & Diponegoro, U. (2014). Sifat optik zinc oxide (zno)
yang dideposisi di atas substrat kaca menggunakan metode chemical
solution deposition (csd) dan aplikasinya untuk degradasi zat warna
methylene blue. Youngster Physics Journal, 3(1), 7–14.
Jusman, Y., Ng, S. C., & Abu Osman, N. A. (2014). Investigation of CPD and
HMDS sample preparation techniques for cervical cells in developing
computer-aided screening system based on FE-SEM/EDX. Scientific World
Journal, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/289817
Justin Raj, C., Karthick, S. N., Hemalatha, K. V., Son, M. K., Kim, H. J., &
Prabakar, K. (2012). Magnesium doped ZnO nanoparticles embedded ZnO
nanorod hybrid electrodes for dye sensitized solar cells. Journal of Sol-Gel
Science and Technology, 62(3), 453–459. https://doi.org/10.1007/s1097178
012-2748-0
Kannappan, P., & Dhanasekaran, R. (2014). Studies on structural and optical
properties of ZnSe and ZnSSe single crystals grown by CVT method.
Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.11.030
Khan, A., Ahmed, M. I., Adam, A., Azad, A. M., & Qamar, M. (2017). A novel
fabrication methodology for sulfur-doped ZnO nanorods as an active
photoanode for improved water oxidation in visible-light regime.
Nanotechnology, 28(5). https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa51b6
Kim, S., Park, H., Nam, G., Yoon, H., Kim, B., Ji, I., Kim, Y., Kim, I., Park, Y.,
Kang, D., & Leem, J. Y. (2014). Hydrothermally grown boron-doped ZnO
nanorods for various applications: Structural, optical, and electrical
properties. Electronic Materials Letters. https://doi.org/10.1007/s13391013-3130-2
Kittel, C. (1906). Moser J. 1906 Beschreibung neuer Cetoniden Arten Annales
de la Societe entomologique de Belgique. Bruxelles 50:273-280. In Annales
De La Societe. https://doi.org/10.1007/978-3-540-93804-0
Klimm, D., Ganschow, S., Schulz, D., & Fornari, R. (2008). The growth of ZnO
crystals
from
the
melt.
Journal
of
Crystal
Growth.
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2008.02.027
Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., & Miyasaka, T. (2009a). Organometal
Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic. Journal of
American Chemical Society, 131(17), 6050–6051.
Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., & Miyasaka, T. (2009b). Organometal
halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal
of the American Chemical Society, 131(17), 6050–6051.
https://doi.org/10.1021/ja809598r
Kumar, M. H., Natalia, Y., Sabba, D., Michae, G., Subodh, M., Boix1, P. P.,
Nripan, M., & Received. (2013). Flexible, low-temperature, solution
processed ZnO-based perovskite solid state solar cells Mulmudi. The Royal
Society of Chemistry, 207890, 1–4. https://doi.org/10.1039/C3CC46534A
Kumari, V., Mittal, A., Jindal, J., Yadav, S., & Kumar, N. (2019). S-, N- and Cdoped ZnO as semiconductor photocatalysts: A review. Frontiers of
Materials Science, 13(1). https://doi.org/10.1007/s11706-019-0453-4
Labib, F. M., & Saputro, H. (2012). Sintesis lapis tipis seng oksida (zno)
nanorods sebagai fotoanoda sel surya tersensitasi zatwarna Febri.
79
Indonesian Journal of Chemical Science, 1(2252).
Li, C., Jin, Z., Chu, H., & Li, Y. (2008). Seed-mediated growth of ZnO nanorods
on multiwalled carbon nanotubes. Journal of Nanoscience and
Nanotechnology, 8(9), 4441–4446. https://doi.org/10.1166/jnn.2008.278
Liang, Y. C., & Wang, C. C. (2018). Surface crystal feature-dependent
photoactivity of ZnO-ZnS composite rods: Via hydrothermal sulfidation.
RSC Advances, 8(9), 5063–5070. https://doi.org/10.1039/c7ra13061a
Lin, Z., & Song, J. (2006). Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide
Nanowire Arrays Author(s): Zhong Lin Wang and Jinhui Song Source:
Science, 312(5771), 242–246. https://doi.org/10.1126/science.1124005
Lusvardi, G., Barani, C., Giubertoni, F., & Paganelli, G. (2017). Synthesis and
characterization of TiO2nanoparticles for the reduction of water pollutants.
Materials, 10(10), 1–11. https://doi.org/10.3390/ma10101208
M. Sumadiyasa, & Manuaba, I. B. S. (2018). Determining Crystallite Size Using
Scherrer Formula, Williamson-Hull Plot, and Particle Size with SEM.
Buletin Fisika, 19(1), 23–27.
MacWan, D. P., Dave, P. N., & Chaturvedi, S. (2011). A review on nano-TiO2
sol-gel type syntheses and its applications. Journal of Materials Science,
46(11), 3669–3686. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5378-y
Malekshahi Byranvand, M., Nemati Kharat, A., Fatholahi, L., & Malekshahi
Beiranvand, Z. (2013). A Review on Synthesis of Nano-TiO2 via Different
Methods.
Journal
of
Nanostructures,
3(1),
1–9.
https://doi.org/10.7508/jns.2013.01.001
Maryanti, E., Isnaini, N., Hanum, R. A., & Kimia, J. (2012). Sintesis Dan
Karakterisasi Nanopartikel Zno Terdoping Sulfur (Zno:S) Melalui Metode
Hidrotermal Suhu Rendah. 8(2), 728–733.
Mathew, S., Yella, A., Gao, P., Humphry-Baker, R., Curchod, B. F. E., AshariAstani, N., Tavernelli, I., Rothlisberger, U., Nazeeruddin, M. K., & Grätzel,
M. (2014). Dye-sensitized solar cells with 13% efficiency achieved through
the molecular engineering of porphyrin sensitizers. Nature Chemistry, 6(3),
242–247. https://doi.org/10.1038/nchem.1861
Mcdonald, B. T., & Cui, T. (2011). Journal of Colloid and Interface Science
Superhydrophilic surface modification of copper surfaces by Layer-byLayer self-assembly and Liquid Phase Deposition of TiO 2 thin film.
Journal of Colloid And Interface Science, 354(1), 1–6.
80
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.09.036
Morkoc, H., & Ozgur, U. (2009). Zinc Oxide: Fundamentals, Materials and
Device Technology. In Processing, Devices, and Heterostructures (pp.
446–454). WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
Naily Ulya. (2012). Pengantar nanoteknologi. In Indium Tin Oxide (ITO) untuk
Aplikasi Solar Cell (pp. 238–246).
Nakrela, A., Benramdane, N., Bouzidi, A., Kebbab, Z., Medles, M., & Mathieu,
C. (2016). Site location of Al-dopant in ZnO lattice by exploiting the
structural and optical characterisation of ZnO: Al thin films. Results in
Physics, 6, 133–138. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.01.010
O’Regan, B., & Gratzelt, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based
on dye-sensitized colloidal Ti02 films. Nature, 353, 737–739.
Outlook, I. E. (2010). Indonesia Energy Outlook 2010. Pusat Data dan Informasi
Energi dan Sumber Daya Mineral KESDM.
Patel, M. R. (2006). Wind and solar power systems: Design, analysis, and
operation, second edition. In Photovoltaic Power Systems (pp. 163–181).
https://doi.org/10.2134/jeq2006.0001br
Pillai, S., Leyland, N., & Corr, D. (2010). Rapid Microwave Synthesis of
Mesoporous TiO2 for Electrochromic Displays.
Polsongkram, D., Chamninok, P., Pukird, S., Chow, L., Lupan, O., Chai, G.,
Khallaf, H., Park, S., & Schulte, A. (2008). Effect of synthesis conditions
on the growth of ZnO nanorods via hydrothermal method. Physica B:
Condensed
Matter,
403(19–20),
3713–3717.
https://doi.org/10.1016/j.physb.2008.06.020
Ponnamma, D., Guo, Q., Krupa, I., Al-Maadeed, M. A. S. A., Varughese, K. T.,
Thomas, S., & Sadasivuni, K. K. (2015). Graphene and graphitic derivative
filled polymer composites as potential sensors. Physical Chemistry
Chemical Physics, 17(6), 3954–3981. https://doi.org/10.1039/c4cp04418e
Pourmand, M., & Taghavinia, N. (2008). TiO 2 nanostructured films on mica
using liquid phase deposition. Materals Chemistry and Physics, 107, 449–
455. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2007.08.011
Qin, H., Li, W., Xia, Y., & He, T. (2011). Photocatalytic activity of
heterostructures based on ZnO and N-doped ZnO. ACS Applied Materials
and Interfaces, 3(8), 3152–3156. https://doi.org/10.1021/am200655h
81
Qin, J., Zhang, Z., Shi, W., Liu, Y., Gao, H., & Mao, Y. (2017). The optimum
titanium precursor of fabricating TiO2compact layer for perovskite solar
cells. Nanoscale Research Letters, 12(1). https://doi.org/10.1186/s11671017-2418-9
Rahman, M. Y. A., Umar, A. A., Roza, L., & Salleh, M. M. (2014). Effect of
Hexamethylenetetramines (HMT) Surfactant Concentration on the
Performance of TiO2 Nanostructure Photoelectrochemical Cells. Russian
Journal of Electrochemistry, 50(10), 1084–1090.
Raleaooa, P. V., Roodt, A., Mhlongo, G. G., Motaung, D. E., Kroon, R. E., &
Ntwaeaborwa, O. M. (2017). Luminescent, magnetic and optical properties
of ZnO-ZnS nanocomposites. Physica B: Condensed Matter,
507(November), 13–20. https://doi.org/10.1016/j.physb.2016.11.031
Ranabhat, K., Patrikeev, L., Revina, A. A. evna, Andrianov, K., Lapshinsky, V.,
& Sofronova, E. (2016). An introduction to solar cell technology. Journal
of
Applied
Engineering
Science,
14(4),
481–491.
https://doi.org/10.5937/jaes14-10879
Rong, P., Ren, S., & Yu, Q. (2019). Fabrications and Applications of ZnO
Nanomaterials in Flexible Functional Devices-A Review. Critical Reviews
in
Analytical
Chemistry,
49(4),
336–349.
https://doi.org/10.1080/10408347.2018.1531691
Rusu, G. G., Gorley, P., Baban, C., Rambu, A. P., & Rusu, M. (2010).
Preparation and characterization of Mn-doped ZnO thin films. Journal of
Optoelectronics and Advanced Materials, 12(4), 895–899.
Saha, S. K. (2015). Materials Research and Opportunities in Solar (Photovoltaic)
Cells. Proceedings of the Indian National Science Academy, 81(4).
https://doi.org/10.16943/ptinsa/2015/v81i4/48309
Samat, M. H., Ali, A. M. M., Taib, M. F. M., Hassan, O. H., & Yahya, M. Z. A.
(2016). Results in Physics Hubbard U calculations on optical properties of
3 d transition metal oxide. Results in Physics, 6, 891–896.
https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.11.006
Setiabudi, A., Hardian, R., & Mudzakir, A. (2012). Karakterisasi Material;
Prinsip dan Aplikasina dalam Penelitian Kimia.
Shabannia, R., & Abu Hassan, H. (2014). Controllable vertically aligned ZnO
nanorods on flexible polyethylene naphthalate (PEN) substrate using
chemical bath deposition synthesis. Applied Physics A: Materials Science
and Processing, 114(2), 579–584. https://doi.org/10.1007/s00339-01382
7619-1
Sharma, A., Sahoo, P., & Thangavel, R. (2018). A study on
photoelectrochemical properties of ZnO@ZnS nanostructures synthesized
via facile ion-exchange approach. AIP Conference Proceedings, 1961.
https://doi.org/10.1063/1.5035217
Singh, S. P., & Nagarjuna, P. (2014). Organometal halide perovskites as useful
materials in sensitized solar cells. Dalton Transactions, 43(14), 5247–5251.
https://doi.org/10.1039/c3dt53503g
Skoog, 2004.pdf. (n.d.).
Son, D. Y., Im, J. H., Kim, H. S., & Park, N. G. (2014). 11% efficient perovskite
solar cell based on ZnO nanorods: An effective charge collection system.
Journal of Physical Chemistry C, 118(30), 16567–16573.
https://doi.org/10.1021/jp412407j
Sulaiman, A. S., Rahman, M. Y. A., Umar, A. A., & Salleh, M. M. (2018). DyeSensitized Solar Cell Utilizing TiO<inf>2</inf>Nanostructure Films:
Effect of Synthesis Temperature. Russian Journal of Electrochemistry,
54(1). https://doi.org/10.1134/S102319351801007X
Sun, S., Salim, T., Mathews, N., Duchamp, M., Boothroyd, C., Xing, G., Sum,
T. C., & Lam, Y. M. (2014). The origin of high efficiency in lowtemperature solution-processable bilayer organometal halide hybrid solar
cells. Energy and Environmental Science, 7(1), 399–407.
https://doi.org/10.1039/c3ee43161d
Sutanto, H., Wibowo, S., & Hidayanto, Ek. (2015). PROSIDING SKF 2015
Karakteristik Optik dan Mikrostruktur Lapisan Tipis ZnO : Ag yang
Dideposisi Diatas Substrat Kaca Dengan Metode Sol-Gel. December, 1–4.
Sze, S. M., & Ng, K. K. (2006). Physics of Semiconductor Devices: Third
Edition. In Physics of Semiconductor Devices: Third Edition.
https://doi.org/10.1002/9780470068328
Taabouche, A., Bouabellou, A., Kermiche, F., Hanini, F., Menakh, S.,
Bouachiba, Y., Kerdja, T., Benazzouz, C., Bouafia, M., & Amara, S.
(2013). Effect of Substrates on the Properties of ZnO Thin Films Grown by
Pulsed Laser Deposition. Advances in Materials Physics and Chemistry,
03(04), 209–213. https://doi.org/10.4236/ampc.2013.34031
Tao, Y., Fu, M., Zhao, A., He, D., & Wang, Y. (2010). The effect of seed layer
on morphology of ZnO nanorod arrays grown by hydrothermal method.
83
Journal
of
Alloys
and
Compounds,
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.09.020
489(1),
99–102.
Thangavel, R., & Chang, Y. C. (2012). Investigations on structural, optical and
electrical properties of p-type ZnO nanorods using hydrothermal method.
Thin Solid Films. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.11.010
Torabi, M., Drahansky, M., Paridah, M. ., Moradbak, A., Mohamed, A. .,
Owolabi, F. abdulwahab taiwo, Asniza, M., & Abdul Khalid, S. H. . (2016).
We are IntechOpen , the world ’ s leading publisher of Open Access books
Built by scientists , for scientists TOP 1 %. Intech, i(tourism), 13.
https://doi.org/http://dx.doi.org/10.5772/57353
Umar, A. A., Rahman, M. Y. A., Saad, S. K. M., Salleh, M. M., & Oyama, M.
(2013). Preparation of grass-like TiO 2 nanostructure thin films : Effect of
growth temperature. Applied Surface Science, 270, 109–114.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.12.128
Vergés, M. A., Mifsud, A., & Serna, C. J. (1990). Formation of rod-like zinc
oxide microcrystals in homogeneous solutions. Journal of the Chemical
Society,
Faraday
Transactions,
86(6),
959–963.
https://doi.org/10.1039/FT9908600959
Vinila, V. S., Jacob, R., Mony, A., Nair, H. G., Issac, S., Rajan, S., Nair, A. S.,
Satheesh, D. J., & Isac, J. (2014). Ceramic Nanocrystalline Superconductor
Gadolinium Barium Copper Oxide ( GdBaCuO ) at Different Treating
Temperatures. July, 168–176.
Wang, Y., Zhong, M., Wang, W., Wang, Q., Wu, W., & Luo, X. (2019). Effects
of ZnSe modification on the perovskite films and perovskite solar cells
based on ZnO nanorod arrays. Applied Surface Science, 495(April).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143552
Wang, Yafang, Li, L., Huang, X., Li, Q., & Li, G. (2015). New insights into
fluorinated TiO2 (brookite, anatase and rutile) nanoparticles as efficient
photocatalytic redox catalysts. Royal Society of Chemistry, 5, 34302–
34313. https://doi.org/10.1039/C4RA17076H
Wang, Z. L. (2004). Zinc oxide nanostructures: growth, properties and
applications - Abstract - Journal of Physics: Condensed Matter IOPscience. J. Phys.: Condens. Matter.
Watthage, S. C., Song, Z., Phillips, A. B., & Heben, M. J. (2018). Evolution of
Perovskite Solar Cells. In Perovskite Photovoltaics. Elsevier Inc.
https://doi.org/10.1016/b978-0-12-812915-9.00003-4
84
Wu, R., Yang, B., Xiong, J., Cao, C., Huang, Y., Wu, F., Sun, J., Zhou, C., Wu,
R., Yang, B., Xiong, J., & Cao, C. (2015). Dependence of device
performance on the thickness of compact TiO2 layer in perovskite / TiO2
planar heterojunction solar cells Dependence of device performance on the
thickness of compact TiO 2 layer in perovskite / TiO 2 planar
heterojunction solar cells. 043105. https://doi.org/10.1063/1.4926578
Xie, X. Y., Zhan, P., Li, L. Y., Zhou, D. J., Guo, D. Y., Meng, J. X., Bai, Y., &
Zheng, W. J. (2015). Synthesis of S-doped ZnO by the interaction of sulfur
with zinc salt in PEG200. Journal of Alloys and Compounds, 644, 383–389.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.04.214
Xu, J., Yang, X., Yang, Q. D., Wong, T. L., Lee, S. T., Zhang, W. J., & Lee, C.
S. (2012). Arrays of CdSe sensitized ZnO/ZnSe nanocables for efficient
solar cells with high open-circuit voltage. Journal of Materials Chemistry,
22(26), 13374–13379. https://doi.org/10.1039/c2jm31970e
Yang, W. S., Park, B. W., Jung, E. H., Jeon, N. J., Kim, Y. C., Lee, D. U., Shin,
S. S., Seo, J., Kim, E. K., Noh, J. H., & Seok, S. Il. (2017). Iodide
management in formamidinium-lead-halide-based perovskite layers for
efficient
solar
cells.
Science,
356(6345),
1376–1379.
https://doi.org/10.1126/science.aan2301
Zhang, Y., Liu, W., Tan, F., & Gu, Y. (2015). The essential role of the poly ( 3hexylthiophene ) hole transport layer in perovskite solar cells. Journal of
Power
Sources,
274,
1224–1230.
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.145
Zhou, D., Zhou, T., Tian, Y., Zhu, X., & Tu, Y. (2018). Perovskite-Based Solar
Cells: Materials, Methods, and Future Perspectives. Journal of
Nanomaterials, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/8148072
85
INDEX
A
Absorbansi, 53
Anatase, ix, 9, 10
Atom, 13, 48, 52
L
Lapisan, 7, 11, 14, 20, 70, 74, 83
Lapisan tipis, 11, 70, 74
M
C
Cahaya, 54
D
Deposisi, vii, viii, 18, 20, 32, 61, 62
Deposisi fasa cair, 18
Difraksi, 41
Doping, x, 3, 55
Match!3, 22
Material, vii, viii, 1, 4, 5, 9, 12, 14, 61, 62, 82
Morfologi, vii, 23, 31, 43, 49
N
Nanopartikel, 19, 80
Nanorod, vii, 30
O
E
Efisiensi, viii, 64
Elektron, 9, 13, 68
Energi, ix, xi, xii, 13, 28, 29, 54, 55, 56, 58, 59,
60, 81
Energi gap, xi, xii, 54, 55, 56, 58, 59, 60
F
Fabrikasi, viii, 61
FESEM, ix, x, 20, 23, 24, 25, 37, 43, 45, 49, 67,
69, 73
Fill Factor, viii, 16, 64
I
Interferensi, 23
Oksida, i, ii, v, vii, viii, 9, 11, 61, 64, 75
Optik, vii, 26, 52, 78, 83
P
Parameter kisi, xii, 42
Partikel, 24
Penumbuhan, 31
Penyerapan, 26, 56, 57
Perovskite, i, ii, v, viii, ix, 1, 5, 7, 61, 76, 84, 85
Piranti, ix
R
Reflektansi, 57
S
K
Kristal, vii, ix, 21, 23, 36, 39, 42
Kurva I-V, ix, xi, 16, 65
Scherrer, 22, 38, 42, 80
Seed-mediated hydrothermal, 30
Sel surya, 1, 5, 74
Selenium, 3, 15, 41
Semikonduktor, i, ii, v, vii, viii, 6, 9, 11, 61, 64,
73
86
Se-ZnO, i, ii, iii, v, vii, viii, x, xi, xii, 3, 4, 15, 30,
32, 35, 39, 40, 42, 49, 50, 52, 56, 57, 58, 60,
61, 70, 71, 72, 73, 74
Sintesis, vii, viii, 2, 10, 14, 20, 30, 31, 32, 61, 62,
75, 79, 80
Spektrum, ix, x, xi, 25, 26, 27, 47, 51, 53, 54,
56, 57, 58, 74
Struktur, vii, ix, 3, 7, 10, 12, 21, 36
Suhu, 80
Sulfur, 3, 13, 80
S-ZnO, i, ii, iii, v, vii, viii, x, xi, xii, 3, 4, 14, 30, 32,
33, 35, 36, 37, 38, 39, 43, 46, 47, 48, 52, 53,
54, 55, 56, 61, 67, 68, 69, 73, 74
T
TiO2, i, ii, iii, v, vii, viii, ix, xi, xii, 2, 4, 6, 9, 10, 11,
12, 15, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27,
29, 61, 63, 64, 65, 66, 67, 73, 74, 75, 76, 77,
80, 81, 82, 84, 85
U
UV-Vis, ix, x, xi, 20, 26, 27, 37, 52, 53, 54, 55,
57, 58, 67, 69, 73
W
Wurtzite, ix, 12
Z
Zat, 13
ZnO, i, ii, iii, v, vii, viii, ix, x, xi, xii, 2, 3, 4, 6, 11,
12, 13, 14, 15, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37,
38, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 46, 47, 48, 49, 50,
51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 63,
67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78,
79, 80, 81, 82, 83, 84, 85
87