## STRUKTUR DAN KOMPOSISI KIMIA LAPIS TIPIS BAHAN SEMIKONDUKTOR
Sn(Se 0,2 S 0.8 ) HASIL PREPARASI TEKNIK VAKUM EVAPORASI UNTUK APLIKASI SEL SURYA

## THE STRUCTURE AND CHEMICAL COMPOSITION OF SEMICONDUCTOR
MATERIAL Sn(Se 0,2 S 0.8 ) THIN FILM PREPARED USING EVAPORATION METHOD FOR SOLAR CELL APPLICATION

## Joko Utomo dan Ariswan*
Jurusan Pendidikan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Yogyakarta
*email: ariswan@uny.ac.id
diterima 8 September 2015, disetujui 18 September 2015

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menumbuhkan  lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dengan  metode  evaporasi.  Peneliti  dapat mengetahui  pengaruh  variasi  spacer  terhadap  struktur,  parameter  kristal,  morfologi  permukaan,  dan  komposisi  kimia lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 ).  Proses  preparasi  lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dilakukan  menggunakan  metode  evaporasi  yang bekerja pada tekanan sekitar 2 x 10 -5 mbar. Proses pendeposisian lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dilakukan dengan memberikan spacer antara substrat dengan sumber yaitu 25 cm, 15 cm, dan 10 cm. Proses karakterisasi dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction  (XRD)  untuk  menentukan  struktur  dan  parameter  kisi  lapisan  tipis,  Scanning  Electron  Microscopy  (SEM) untuk menentukan morfologi permukaan lapisan tipis dan Energy Dispersive Analysis X-Ray (EDAX) untuk menentukan komposisi lapisan tipis. Hasil karakterisasi XRD menunjukkan bahwa lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) merupakan polikristal dan memiliki struktur kristal orthorombik dengan nilai parameter kisi sampel 1 (spacer 25 cm): a = 4,306 Å, b = 11,30 Å, c = 4,139 Å; sampel 2 (spacer 15 cm): a = 4,286 Å, b = 11,18 Å, c = 4,123 Å; sampel 3 (spacer 10 cm): a = 4,301 Å, b = 11,30  Å,  c  =  4,143  Å.  Hasil  karakterisasi  SEM  pada  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  sampel  2  menunjukkan  bahwa  morfologi  permukaan sampel terdiri atas butiran atau grain berbentuk keping lonjong dengan ukuran diameter butiran pada permukaan kristal sekitar 0,3 μ m - 0,5 μ m dan homogen. Hasil analisis EDAX, kristal Sn(Se 0,2 S 0,8 )  menunjukkan perbandingan persentase komposisi kimia lapisan tipis yaitu 1 : 0,11 : 0,79.
Kata kunci: metode evaporasi, semikonduktor Sn(Se 0,2 S 0,8 ), sel surya, karakteristik bahan

## Abstract
This  research  aims  to  grow  a  thin  film  Sn(Se 0.2 S 0.8 )  by  evaporation  method.  The  researcher  can  understand  the effect  of  spacer  variations  towards  the  crystal  structure,  lattice  parameter,  surface  morphology,  and  chemical composition of Sn(Se 0,2 S 0,8 ) thin film. The process of Sn(Se 0.2 S 0.8 ) thin film preparation was done by using the evaporation method with pressure about 2 x 10 -5 mbar. The process of Sn(Se 0.2 S 0.8 ) thin film deposition was performed by giving some space  between  the  substrate  and  the  source  i.e.  25  cm,  15  cm,  and  10  cm. Characterization  process  was  performed  by using  X-ray  Diffraction  (XRD)  to  determine  the  structure  and  parameter  of  thin  film,  Scanning  Electron  Microscopy (SEM) to determine the thin film of surface morphology, and Energy Dispersive Analysis X-Ray (EDAX)  to determine the chemical  composition  of  the  thin  film.  The  result  of  XRD  characterization  show  that  the  Sn(Se 0.2 S 0.8 )  thin  film  was polycrystalline and it has an orthorombic crystal structure, with the lattice parameter  were sample 1 (spacer 25 cm): a = 4.306 Å, b = 11.30 Å, c = 4.139 Å; sample 2 (spacer 15 cm): a = 4.286 Å, b = 11.18 Å, c = 4.123 Å; sample 3 (spacer 10 cm): a = 4.301 Å, b = 11.30 Å, c = 4.143 Å. The result of SEM characterization in the sample 2 of Sn(Se 0.2 S 0.8 ) showed that the surface morphology of the sample consisted of homogeneous oval shaped grains, with the diameter size of crystal grains  on  the  surface  about  0.3 μ m  –  0.5 μ m.  The  result  of  EDAX  analysis  showed  that  comparison  of  percentage  of chemical composition thin film Sn(Se 0.2 S 0.8 ) was 1 : 0.11 : 0.79.
Keywords: evaporation method, semiconductor Sn(Se 0.2 S 0.8 ), solar cell, material characteristics

## Pendahuluan
Dari  tahun  ke  tahun,  pesatnya  kemajuan teknologi  membuat  kebutuhan  sumber  energi meningkat  pula.  Salah  satu  energi  yang  digunakan dalam teknologi ini  adalah energi listrik. Pemanfaatan  energi  listrik  tidak  diimbangi  dengan jumlah  bahan  bakar  fosil  sebagai  bahan  utama energi  listrik  (terutama  di  Indonesia).  Hal  ini membuat sumber energi terus berkurang dari waktu ke  waktu.  Indonesia  merupakan  sebuah  kepulauan yang  berada  pada  garis  khatulistiwa  yang menjadikan  Indonesia  kaya  akan  radiasi  matahari. Indonesia  menerima  energi  surya  yang  radiasi energi  rata-rata  persatuan  luas  waktu  kira-kira sebesar 4,8 kW/m 2 [1].
Energi  surya  merupakan  salah  satu  sumber energi  terbarukan  yang  sangat  melimpah,  tidak bersifat  polutif,  dan  tidak  membeli.  Ada  sebuah teknologi  menggunakan  piranti  semikonduktor yang  mampu  mengubah  energi  radiasi  matahari langsung  menjadi    energi  listrik.  Teknologi  ini dinamakan  dengan  sel  surya,  sering  juga  disebut dengan  solar  cell  atau  photovoltaic.  Kemajuan teknologi  sel  surya  tidak  terlepas  juga  dengan kemajuan  teknologi  semikonduktor  [2].  Tetapi terdapat kendala penggunaan sel surya di Indonesia yakni efisiensi energi yang masih rendah dan masih mahalnya  harga  piranti  semikonduktor  untuk kebanyakan lapisan masyarakat.
Penelitian  oleh  Triyo  Haryanto  [3]  dengan bahan paduan PbSe menggunakan metode evaporasi  belum  mendapatkan  hasil  yang  optimal karena  pada  spacer  15  cm  yang  terbentuk  adalah amorf. Oleh sebab itu, rekayasa bahan semikonduktor selalu dikembangkan untuk mendapatkan  efisiensi  energi  yang  lebih  besar  dan tentunya  lebih  terjangkau.  Bahan  semikonduktor yang digunakan dalam penelitian ini adalah paduan Sn(S e0,2 S 0,8 )  untuk  mendapatkan  kristal  dari  bahan semikonduktor.
Kristal dari bahan semikonduktor Sn(Se 0,2 S 0,8 ) merupakan hasil paduan tiga unsur (ternary), yaitu Sn  (golongan  IVA),  Se  (golongan  VIA),  dan  S (golongan  VIA).  Pita  energi  (energy  band)  bahan semikonduktor SnSe memiliki energi gap sebesar 1 eV dan bahan semikonduktor SnS memiliki energi gap sebesar 1,3 - 1,83  eV.
Dalam penelitian ini, metode yang digunakan dalam  penumbuhan  kristal  lapisan  tipis  [4]  adalah metode  evaporasi.  Metode  evaporasi  adalah  salah satu  metode  yang  digunakan  untuk  memperoleh lapisan  tipis  dengan  penguapan  bahan  pada  ruang vakum.  Metode  evaporasi  [5]  dibedakan  menjadi dua  yakni  metode  evaporasi  klasik  dan  metode
evaporasi splash. Pada penelitian ini, metode yang digunakan  adalah  evaporasi  klasik.  Pada  metode evaporasi untuk mendapatkan kualitas lapisan tipis yang  baik,  perlu  diperhatikan  jarak  penempatan antara  sumber  atau  bahan  pada  filamen  dengan substrat  (spacer).  Oleh  sebab    itu,  perlu  diteliti pengaruh    spacer  terhadap  hasil  akhir  lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 )  untuk  mendapatkan  kualitas  lapisan tipis  yang paling baik.
Untuk  mengetahui  karakteristik  lapisan  tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ), perlu dilakukan karakterisasi menggunakan  X-Ray  Diffraction  (XRD),  Scanning
Electron Microscopy (SEM), dan Energy Dispersive Analysis X-Ray (EDAX). XRD digunakan  untuk  mengetahui  struktur  dari  kristal dan parameter kisi. SEM untuk mengetahui struktur morfologi permukaan bahan. EDAX untuk mengetahui komposisi kimia bahan secara kuantitatif.

## Metode Penelitian
Penelitian dilakukan dari bulan Januari 2014 – April  2014  dan  dilakukan  di  Laboratorium  Fisika Material UNY, Laboratorium Kimia Organik UNY, dan  Laboratorium  Penelitian  dan  Pengujian Terpadu UGM
Penelitian  ini  secara  garis  besar  meliputi  3 tahap,  yaitu  tahap  persiapan  bahan,  preparasi,  dan karakterisasi. Tahap persiapan bahan yang dilakukan  dengan  menyiapkan  paduan  bahan Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dan  kaca  substrat  untuk  proses evaporasi.  Tahap  preparasi  bahan  adalah  tahap penumbuhan lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) menggunakan  teknik  evaporasi  yang  bekerja  pada tekanan  sekitar  2  x  10 -5 mbar,  yaitu  dengan memanaskan  bahan  pada  crusible  dengan  suhu yang tinggi sehingga akan terdeposisi pada substrat kaca  dan  membentuk  lapisan  tipis.  Tahap karakterisasi  dilakukan  untuk  untuk  mengetahui struktur kristal dan parameter kisi dari lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) menggunakan XRD, morfologi permukaan  menggunakan  SEM,  dan  komposisi kimia menggunakan EDAX.
Teknik Analisis Data. Data yang diperoleh dari karakterisasi menggunakan XRD merupakan hubungan  antara  intensitas  dengan  sudut  difraksi 2 θ . Hasil yang diperoleh selanjutnya dibandingkan dengan data Join Committee on Powder Diffraction Standard (JCPDS) sehingga akan diperoleh bidang- bidang  hkl  sampel.  Parameter  kisi  (a,  b,  c)  dapat diperoleh  dengan  metode  analitik  kemudian  dapat dibandingkan dengan data standar JCPDS. Struktur
morfologi  sampel  diketahui  dengan  pengujian SEM.  Komposisi  kimia  yang  terkandung  dalam sampel dapat diketahui dengan pegujian EDAX.

## Hasil dan Pembahasan
Preparasi  dengan  teknik  vakum  evaporasi menggunakan  3  variasi  spacer  yaitu  spacer  25  cm untuk sampel 1, 15 cm untuk sampel 2, dan 10 cm untuk  sampel  3.  Gambar  1  menunjukkan  sampel yang diperoleh dalam penelitian.
(a)                      (b)                       (c)
Gambar 1. Hasil preparasi lapisan tipis (a) sampel 1, (b) sampel 2, dan (c) sampel 3.

## Karakterisasi Struktur Kristal dan  Parameter Kisi Hasil X-Ray Diffraction (XRD)
Data  yang  diperoleh  dari  XRD  adalah  grafik hubungan  antara  2 θ dengan  intensitas,  dengan  2 θ berada di sumbu horisontal sebagai variabel bebas, sedangkan  intensitas  di  sumbu  vertikal  sebagai variabel  terikat.  Pola  difraksi  lapisan  tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dengan  jarak  spacer  25  cm,  15  cm, dan  10  cm  yang  ditampilkan  dalam  bentuk difraktogram dari hasil karakterisasi XRD
ditunjukkan  pada  Gambar  2,  Gambar  3,  dan
Gambar 4. Difraktogram XRD
hasil penelitian dicocokkan  dengan  difraktogram  data  standar. Informasi  dari  JCPDS  memberikan  informasi tentang  indeks  Miller.  Informasi  berupa  sistem kristal yang terbentuk yaitu othorombik. Parameter kisi  kristal  (a,  b,  dan  c),  yang  dapat  dibandingkan dengan secara analitik menggunakan persamaan:
=
Hasil  perbandingan  parameter  kisi  secara analitik  dari  sampel  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  yang  diperoleh dari data penelitian dengan data JCPDS ditunujukkan pada Tabel 1.

## (a)
Gambar 2. Difraktogram XRD lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dengan spacer 25 cm
Gambar 3. Difraktogram XRD lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dengan spacer 15 cm.
Gambar 4. Difraktogram XRD lapisan tipis
Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dengan spacer 10 cm.
Tabel 1. Parameter kisi kristal paduan Sn(Se 0,2 S 0,8 ) untuk sampel 1, sampel 2, dan sampel 3 dengan
data JCPDS. Para meter kisi Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3 JCPDS SnS a (Å) 4,306 4,286 4,301 4,334 b (Å) 11,30 11,18 11,30 11,20 c (Å) 4,139 4,123 4,143 3,98
Pada  Gambar  2,  3,  dan  4,  yang  memiliki intensitas  puncak  tertinggi  yaitu  sampel  2  (spacer 15  cm)  dengan  intensitas  puncak  tertinggi  yaitu 1728  (cps  deg),  yang  artinya  keteraturan  atom dalam  permukaan  lapisan  tipis  paling  bagus daripada  dua  spacer  yang  lainnya.  Pada  Tabel  1, data  yang  diperoleh  saat  penelitian  hampir  sama dengan  data  JCPDS.  Data  yang  paling  mendekati dengan data JCPDS adalah sampel 2 yang memiliki jarak  spacer  15  cm.  Jadi  spacer  15  cm  memiliki kualitas paling bagus daripada spacer 25 cm dan 10 cm  ditinjau  dari  intensitas  tertinggi  dan  kedekatan dengan nilai parameter kisi pada JCPDS.
Karakterisasi  Morfologi  Permukaan  Lapisan  Tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dengan Scanning Electron Microscopy (SEM)
Pada  karakterisasi  dengan  SEM  ini,  lapisan tipis  yang  diuji  adalah  bahan  lapisan  tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 )  sampel  2  yang  memiliki  jarak  spacer 15 cm. Hasil dari SEM berupa foto permukaan dari kristal  yang  terbentuk,  yang  ditunjukkan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Morfologi permukaan lapisan tipis dengan perbesaran (a) 10.000x, (b) 20.000x, dan (c) 40.000x.
Foto  yang  dihasilkan  terlihat  butiran  (grain) yang  berbentuk  lonjong.  Sesuai  dengan  struktur kristal  orthorombik  karena  memiliki  salah  satu parameter  kisi  yang  panjang.  Terlihat  juga homogenitas dari kristal yang terbentuk. Kehomogenan  ini  ditunjukkan  dari  bentuk  dan warna kristal yang hampir seragam.
Karakterisasi  Komposisi  Kimia  Lapisan  Tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dengan Energy Dispersive Analysis X- Ray (EDAX)
Hasil  dari  EDAX  berupa  spektrum  yang menunjukkan hubungan antara energi dan intensitas  yang  menyatakan  hasil  spektrum  energi sinar-X karakteristik dari bahan yang dikarakterisasi.  Hasil  EDAX  yang  dilakukan  pada bahan  lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  sampel  2  dapat dilihat pada Gambar 6.
Berdasarkan  hasil  karakerisasi  EDAX  untuk lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dapat  diketahui  bahwa preparasi  kristal  semikonduktor  lapisan  tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 )  mengandung  unsur  Stannum  (Sn), Selenium  (Se),  dan  Sulfur  (S).  Preparasi  kristal bahan  paduan  lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dengan metode  evaporasi  untuk  sampel  2  dapat  diketahui perbandingan  persentase  komposisi  kimia  bahan dasarnya, yaitu unsur Sn = 52,72% ; Se = 5,79% ; Sn  =  41,49%.  Perbandingan  komposisi  unsur
kristal  semikonduktor  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  dengan  hasil karakterisasi  EDAX  dengan  teori,  dapat  dilihat pada Tabel 2
Gambar 6. Grafik antara intensitas dengan energi hasil karakterisasi EDAX lapisan tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dengan teknik evaporasi.
Tabel 2. Perbandingan molaritas unsur Sn : Se : S pada kristal semikonduktor Sn(Se 0,2 S 0,8 ) dari hasil karaktersasi EDAX untuk sampel 2 dengan secara
teori. Perbandingan mol unsur Pencocokan data Sn Se S Secara penelitian (EDAX) 1 0,11 0,79 Secara teori 1 0,2 0,8
Berdasarkan  Tabel  2,  hasil  karakterisasi EDAX menunjukkan bahwa hasil komposisi kimia dari  analisis  EDAX  dibandingkan  dengan  teori hasilnya  hampir  sama.  Tetapi  ada  perbedaan perbandingan  molaritas  pada  unsur  Se  yang  hanya 0,11  sedangkan  secara  teori  yakni  0,2.  Hal  ini menunjukkan bahwa bahan sangat non stochiometry, yang artinya tidak menempel dengan sempurnanya  uap  pada  substrat.  Ini  disebabkan
diantaranya uap yang bergerak ke atas tidak sampai menempel ke substrat, atau uap memiliki kecepatan yang tinggi dan akhirnya terpental dari substrat dan tidak  menempel  pada  substrat,  serta  bahan  paduan lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 )  miskin  bahan  selenium (Se). Unsur-unsur lain pada saat proses karakterisasi,    diantaranya  ada  unsur  C  yang muncul  pada  saat  dilakukan  karakterisasi  EDAX, maka  perlu  karbonisasi  di  karakterisasi  EDAX. Selain C ada unsur lain yaitu unsur Si yang muncul karena  pada  subtrat  kaca  mengandung  unsur  Si, dan unsur O karena adanya oksidasi atau terikatnya oksigen  pada  sampel  akibat    interaksi  sampel dengan udara luar. Pada hasil karakterisasi EDAX, diketahui  proses  bahan  yang  dilakukan  sudah berhasil,  yaitu  dengan  terbentuknya  unsur  Sn,  Se, dan S.

## Simpulan
Hasil  analisis  data  XRD  lapisan  tipis Sn(Se 0,2 S 0,8 )  memiliki  karakteristik  struktur  kristal orthorombik  dengan  nilai  parameter  kisi    secara berturut-turut  a  =  4,306  Å,  b  =  11,30  Å,  dan  c  = 4,139 Å untuk sampel 1; a = 4,286 Å, b = 11,18 Å, dan c = 4,123 Å untuk sampel 2; dan a = 4,301 Å, b  =  11,20  Å,  dan  c  =  3,98  Å  untuk  sampel  3. Berdasarkan  data  SEM  lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 ) menunjukkan  butiran-butiran  yang  berwarna  sama dan  berbentuk  homogen,  dengan  ukuran  grain berorde  (0,3  -  0,5) μ m.  Lapisan  tipis  Sn(Se 0,2 S 0,8 ) mengandung  unsur  Sn,  Se,  dan  S  dengan perbandingan  molaritas  1  :  0,11  :  0,79  sedangkan pada teori, yaitu 1 : 0,2 : 0,8. Pada sampel 2 dengan spacer 15 cm memiliki  kualitas lapisan tipis paling baik,  ditinjau  dari  parameter  kisi  yang  sesuai dengan  data  JCPDS  dan  intensitas  puncak  yang tertinggi.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Fakultas  Matematika  dan  Ilmu  Pengtahuan  Alam Universitas Negeri Yogyakarta yang telah memberikan  dana  dan  fasilitas  laboratorium  untuk pelaksanaan  penelitian  ini  serta  mahasiswa- mahasiswa  yang  tergabung  dalam  penelitian payung ini.

## Pustaka
[1]  Ariswan  (2010)  Prospek  Penelitian  dan Aplikasi  Fotovoltaik  Sebagai  Sumber  Energi Alternatif  di  Indonesia,  Universitas  Negeri
Yogyakarta, Yogyakarta
[2]   R.  Rio  dan  L.  Masamori  (1982)  Fisika  dan Teknologi Semikonduktor, P.T. Pradnya Paramita, Jakarta [3]   T. Haryanto (2013) Preparasi dan
Karakterisasi  Bahan  Semikonduktor  Lapisan Tipis Pbse Dengan Teknik Evaporasi, Skripsi,
Universitas Negeri Yogayakarta, Yogyakarta
[4]  M.  Ohring  (2002)  The  Materials  Science  of Thin  Films,  Second  Edition,  Academic  Press, London
[5]   R.  E.  Smallman,  dan  R.  J.  Bishop  (1999) Modern  Physical  Metallurgy  and  Materials Engineering  Science,  Process,  Applications,
Sixth  Edition,  Butterworth-Heinemann,  New York