## Nanoteknologi Dalam Pemodelan Level Energi Diskret Sel Surya Kuantum Dot Dengan Menggunakan Divais Efek Kuantum
Ego Srivajawaty S 1 , Hubertus Ngaderman 2
1.Fisika, MIPA, Universitas Cenderawasih, Waena, Jayapura, 99351, Indonesia 2.Universitas Cenderawasih, Waena, Jayapura, 99351, Indonesia E-mail: srivajawati@ymail.com E-mail: ngadermanh@gmail.com

## Abstrak
Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan pemodelan SS nanostruktur dengan menghitung level energi elektron pada pita konduksi. Divais  fotovoltaik  nanoyaitu  kuantum  dot  KD  dan  kuantum  well  KW  mengerjakan  jangkauan  lebar  transisi  elektron  dimana  bisa dikontrol oleh distribusi jangkauan luasyang sesuai ukuran KD. KD memberikan kemampuan menyerap cahaya dimana menciptakan pasangan elektron hole yang terlokasi didalam dot. Transisi elektron didalam KD secara berarti melampaui energi termal dan tidak bisa diinduksi oleh fonon termal sementara transisi hole secara mudah diinduksi oleh fonon akustik termal. Konsep dan komputasi untuk menghitung level energi, konsep yang digunakan adalah DEK. Ketebalan well L w adalah cukup kecil (10nm atau kurang), set level energi diskret akan ada didalam well dan mempunyai pergantungan pada massa efektf dan ketebalan well yaitu E n meningkat dengan pengurangan W, atau L w . Energi maksimum E ± = 3,77 X 10 A eV pada ketebalan lapisan L w = 0,1nm. Energi maksimum £2 = 1,51 X 10 5 eV pada L w = 0,1 nm. AE adalah selisih besar energi di titik awal 0,1 nm adalah 1,13 X 10 5 eV dan di ketebalan akhir pada KW yaitu 10nm adalah 1,13 X 10 1 eV. Oleh karena itu transisi elektron didalam KW secara berarti melampaui energi termal dan tidak bisa diinduksi oleh fonon termal.
Kata kunci: nanoteknologi; kuantum dot bermuatan

## Abstract
[Title: Theory, computation and modeling] The purposes of this research is to the find out the modeling nanostructure solar cell SC with counted in electron energy level on the conduction band. Divais photovoltaic nano i.e quantum dot QD and quantum well QW performing wide range transition of electron which can be controlled by the distribution range area suitably of the size dimension QD. QD gives ability absorbance of the ligth where created electron hole coupling which located in the dot. Transition electron in the QD be significant exceed thermal energy and cannot inducted by the fonon thermally while transition hole be simply inducted by the  phonon acoustik thermal. Method of this research are concept and computation for accounting energy level. The concept which be used is DEK. The thickness well is small enough ( or less), the set of level energy discret will be in the well and have hinges at the effective mass and the well thickness i.e rising with reduction or . Maximum energy at the thickness layer . Maximum energy at the . is difference magnitude energy in the starting point i.e and in the last thickness QW i.e is . Maximum energy at the thickness layer . difference magnitude energy and . The difference for first thickness layer in the starting point
i.e and in the last thickness QW i.e
is . Therefore transition electron in the QW be significantly exceed thermal energy and cannot inducted by the phonon thermal.
Keywords: nanotechnology; quantum dot charge

## PENDAHULUAN
Nanoteknologi  adalah  kontrol  materi  pada dimensi  1  sampai 100  nanometer,  dimana  fenomena unik  memampukan  aplikasi  terbaru  mencakup  sains dan teknologi yang melibatkan imaging, pengukuran, modeling dan manipulasi materi pada skala  ini. Ia  bukan sesuatu  yang  baru  dan  terpisahkan dengan  alam,  partikel  emas  skala  nano  menciptakan
corak warna berbeda ditemukan di abad pertengahan. Partikel  emas  mempertunjukkan  sebuah  bentuk  yang berbeda  warna  bergantung  pada  ukuran  pada  skala nano.  Materi  pada  skala  atomik  berkelakuan  sangat berbeda daripada materi pada saat skala makroskopik. Juga kemampuan untuk membangun materi baru pada suatu saat membuka kemungkinan baru ke depan yang dikembangkan menggunakan proses kimia tradisional.
Kemampuan  struktur  pita,  mempertinggi multiplikasi  carrier  dan  nano-plasmonik  untuk perbaikan  efisiensi  SS.  Nanoteknologi  menyediakan banyak  kemungkinan  dalam  merekayasa  maupun memanipulasi,  kekurangannya  adalah  mempertinggi proses  rekombinasi  maka  mengurangi  waktu  tempuh fotopembawa.  Waktu  tempuh  adalah  besaran  yang sensitif,  menurunkan  ia  maka  efisiensinya  menjadi rendah.  Sel  dengan  impuritas  diharapkan  mempunyai efisiensi 77%, tetapi malah mempertinggi rekombinasi dan  memperburuk  performansi.  Rekombinasi  yang hilang  karena  hal  tersebut  adalah  masalah  jangka panjang  tanpa  keberhasilan  yang  nyata  didalam investigasi.  SS  nanostruktur  telah  diteliti  secara intensif selama dekade terakhir, intermediate dibentuk dari level kuantum dot (KD) atau well diskret karena penerowongan kuat kopeling diantara KD. Pembuatan KD secara khas  didalam ukuran antara 5 dan 50 nm, ditetapkan oleh lithografi gerbang elektroda atau oleh pengetsaan  pada  dua  dimensi  gas  elektron  didalam semikonduktor  heterostruktur  yang  bisa  mempunyai dimensi  lateral  antara  20  dan  100  nm.  KD  kadang- kadang  terjadi  secara  spontan  didalam  struktur kuantum  well  menyebabkan  fluktuasi  monolapisan didalam  ketebalan  well.  Teori  bisa  memberikan efisiensi  maksimum  ~65%  tetapi  eksperimen menunjukkan  kenaikannya  tidak  melampaui  beberapa persen oleh karena KD.
Analisis  teoritis  dan  modeling  akan  dilakukan didalam menghitung level energi elektron didalam pita konduksi.  Model  yang  digunakan  untuk  memahami mekanisme  kerja  SS  nanostruktur  adalah  Divais  Efek Kuantum (DEK). Untuk ketebalan kuantum well atau dot  direkayasa  didalam  bentuk  yang  bersesuaian dengan  eksperimen.  Tujuan  penelitian  ini  adalah mendapatkan  pemodelan  SS  nanostruktur  dengan menghitung  level  energi  elektron  yang  terjadi  pada pita konduksi.

## LANDASAN TEORI
Batasan  teknologi  pita  intermediate  SS  berasal dari  akumulasi  stres  ketika  lapisan  KD  ditempatkan berdekatan  untuk  memberikan  level  elektron kopeling,  stres  meningkatkan  rekombinasi.  Contoh yang lain adalah multiplikasi pembawa lewat pengaruh ionisasi  yang  kuat  (proses  inversi  tipe  Auger),  ia meningkatkan banyaknya fotopembawa dan memperbaiki  efisiensi,  dicapai  lewat  interaksi elektron—elektron  dan  menghendaki  konsentrasi
pembawa  yang  relatif  tinggi.  Kondisi  ini  bisa  dicapai didalam  kungkungan  nanoblok  (KD).  Eksiton  energi tinggi  tercipta  oleh  foton  dan  meluruh  menjadi energinya rendah, hasilnya beberapa eksiton dibentuk oleh  foton  terserap  itu.  Efek  ini  kuat  didalam nanomaterial  dengan  nilai  pita  gap  rendah  dan secara intensif terjadi didalam SS nanostruktur.
Kuantum Dot Bermuatan (KDB) bisa secara acak didistribusikan didalam lapisan KD tanpa korelasi antara  lapisan  KD  didalam  arah  aliran  yang menjangkau beberapa lapisan KD, KDB meliputi 3— 7  KD.  KD  dengan  pendekatan  muatan  built-in  tidak menghendaki  interdot  kopel  yang  mana  mengurangi batasan  beban  pada  desain  dan  fabrikasi  intermediate pita  SS.  Lebih  dari  itu  untuk  konversi  jalur  lebar, divais  fotovoltaik  KD  akan  mengerjakan  jangkauan yang lebar dari transisi elektron dimana bisa dikontrol oleh  distribusi  jangkauan  luas  yang  sesuai  dengan ukuran KD. Baik dimengerti bahwa KD memberikan kemampuan  menyerap  IR  dimana  menciptakan pasangan  elektron  hole  yang  terlokasi  didalam  dot. Sablon  et  al  mengusulkan  peninggian  ekstraksi perangkap  fotopembawa  oleh  KD  n-bermuatan. Efektif  ekstraksi  KD  n-bermuatan  dicapai  maka menyebabkan  asimetri  yang  kuat  dari  level  elektron dan  hole  didalam  KD.  Struktur  level  didalam InAs/GaAs  KD  telah  diinvestigasi  didalam  banyak pengukuran  fotoluminesensi  dimana  menunjukkan level posisi elektron dan hole yang secara praktis sama jauh.  Level  total  spasi, AE  =  AE e + AE h terhitung menjadi 60—80 meV. Rasio AE e /AEh dievaluasi oleh Steer et al secara tidak langsung dan berganti dari 2 ke 8  dari  satu  kerja  ke  yang  lainnya.  Didalam  model  ini rasio  spasi AE e /AE h diberikan  oleh (m h /m e ) 1/2 4 dimana  adalah  didalam  persetujuan  dengan  jangkauan dari hasil-hasil eksperimental. Menggunakan model ini AE e = 55 meV dan AEh  = 14 meV dicapai.  Oleh karena itu transisi elektron didalam KD secara berarti melampaui energi termal dan tidak bisa diinduksi oleh fonon  termal  sementara  transisi  hole  secara  mudah diinduksi oleh fonon akustik termal.

## METODE PENELITIAN
Metode  dalam  penelitian  ini  menggunakan konsep dan komputasi untuk menghitung level energi. Konsep  yang  digunakan  adalah  Divais  Efek  Kuantum (DEK), ia adalah divais dasar yang menggambarkan SS nanostruktur.  DEK  menggunakan  penerowongan mekanika  kuantum  untuk  memberikan  kontrol
transpor  pembawa,  ketebalan  lapisan  aktifnya  adalah sangat kecil pada orde 10nm. Dasar dari DEK adalah Penerowongan Dioda Resonan (PDR).
Gambar  1  menunjukkan  diagram  pita  dari DEK,  dia  mempunyai  struktur  dobel  barier semikonduktor  yang  berisi  dua  heterojunktion  dan satu  kuantum  well,  InAs/GaAs/InAs.  Terdapat  tiga parameter  divais  yang  penting  untuk  PDR  —  tinggi energi  barier E 0 dimana  adalah  diskontuinitas  pita konduksi,  ketebalan  energi  barier L B dan  ketebalan kuantum well L w . Jika ketebalan well L w adalah cukup kecil (pada orde 10 nm atau kurang), set level energi diskret akan ada didalam well ( E 1 , E 2 , E 3 dan E 4 ). Jika ketebalan  barier  adalah  begitu  kecil,  penerowongan resonan  akan  terjadi.  Ketika  elektron  datang mempunyai  energi E yang  secara  pasti  sama  dengan level energi diskret didalam well dia akan menerobos melalui dobel barier dengan kesatuan 100% koefisien transmisi.
Gambar 1. Diagram pita dari Divais Efek Kuantum (DEK).
Koefisien  transmisi  berkurang  secara  cepat  sebagai penyimpangan  level  energi  diskret.  Sebagai  contoh elektron dengan energi
lebih tinggi atau lebih rendah daripada level akan ada kali penurunan didalam  koefisien  transmisi.  Koefisien  transmisi  bisa dihitung dengan penyelesaian persamaan Schroedinger satu  dimensi  didalam  tiga  daerah  (I,  II,  III).  Oleh karena fungsi gelombang dan derivatif pertama mereka pada  masing-masing  diskontuinitas  potensial  harus kontinu, kita bisa mendapatkan koefisien transmisi . Persamaan  Schroedinger  untuk  elektron didalam suatu wilayah dapat ditulis
( )
dimana konstanta  Planck  tereduksi, massa efektif  didalam  daerah , energi  datang  dan adalah  potensial  energi  dan fungsi  gelombang didalam daerah berturut-turut. Fungsi gelombang bisa dinyatakan sebagai
( ) ( ) ( ) dimana dan adalah  konstanta-konstanta ditentukan dari kondisi bidang batas dan
√ ( )
Oleh  karena  fungsi  gelombang  dan  derivatif  pertama mereka adalah
Seperti  estimasi  orde  pertama  dari  level energi,  kita  bisa  menggunakan  kuantum  well  dengan ketinggian barier tak hingga:

## ( )
Untuk  sebuah  struktur  barier  dobel  dengan ketinggian barier terbatas dan lebar, level energi  akan lebih rendah, bagaimanapun juga, dia akan mempunyai pergantungan  yang  serupa  pada  massa  efektif  dan ketebalan  well  yaitu meningkat  dengan pengurangan atau .  Diagram  alir  untuk melakukan penelitian ini adalah
Gambar 2. Diagram alir untuk menghitung energi diskret pada ketebalan kuantum well.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  3  adalah  grafik  untuk  menghitung tingkat pertama dari energi pada kuantum well (KW) yaitu dengan  ketebalan  lapisan  KW  yaitu .
Gambar  4  adalah  grafik  untuk  menghitung  tingkat kedua dari energi pada KW yaitu dengan ketebalan
lapisan  KW  yaitu .  Energi  maksimum pada ketebalan lapisan . Energi  maksimum pada ketebalan lapisan .
Gambar 3. Grafik untuk menghitung tingkat pertama energi  pada  kuantum  well  (KW)  yaitu dengan ketebalan lapisan KW yaitu .
Gambar  4.  Grafik  untuk  menghitung  tingkat  kedua energi  pada  kuantum  well  (KW)  yaitu dengan ketebalan lapisan KW yaitu
.
Gambar  5.  Grafik  untuk  menghitung  selisih  antara tingkat energi kedua dengan .
Gambar  6.  Grafik  untuk  menghitung  tingkat  ketiga energi  pada  kuantum  well  (KW)  yaitu dengan ketebalan lapisan KW yaitu .
Gambar  7.  Grafik  untuk  menghitung  selisih  antara tingkat energi kedua dengan
.
Gambar  5  adalah  grafik  untuk  menghitung selisih
antara tingkat energi kedua dengan . Dari grafik pada Gambar 5 terlihat bahwa selisih  tersebut  untuk  ketebalan  lapisan  mula-mula yaitu diperkirakan di titik maksimum (sebab pada titik tersebut  terdefinisikan  suatu  besar  dari  energinya walaupun  ada  suatu  nilai  di  titik  awalnya)
adalah ,  dan  di  ketebalan  akhir  pada KW yaitu adalah . Oleh karena
itu  transisi  elektron  didalam  KW  secara  berarti melampaui energi termal dan tidak bisa diinduksi oleh fonon termal.
Gambar  6  adalah  grafik  untuk  menghitung tingkat  ketiga  dari  energi  pada  kuantum  well  (KW)
yaitu dengan  ketebalan  lapisan  KW  yaitu . Energi  maksimum pada ketebalan  lapisan .  Energi  maksimum pada  ketebalan  lapisan . Gambar  7  adalah  grafik  untuk  menghitung selisih antara tingkat energi ketiga
dengan . Dari grafik pada Gambar 7 terlihat bahwa selisih  tersebut  untuk  ketebalan  lapisan  mula-mula yaitu diperkirakan di titik maksimum (sebab pada titik tersebut  terdefinisikan  suatu  besar  dari  energinya walaupun  ada  suatu  nilai  di  titik  awalnya)
adalah dan  di  ketebalan  akhir  pada KW yaitu adalah . Oleh karena
itu  transisi  elektron  didalam  KW  secara  berarti melampaui energi termal dan tidak bisa diinduksi oleh fonon termal.

## KESIMPULAN DAN SARAN
KW memberikan kemampuan tinggi didalam menyerap  cahaya  dimana  menciptakan  pasangan elektron  hole  yang  terlokasi  didalam  well.
Menggunakan  model  diatas  maka  level  energi di pita konduksi memiliki nilai melampaui energi termal dan tidak bisa diinduksi oleh fonon termal oleh karena itu  proses  tangkapan  menjadi  sangat  efektif  sehingga KW  menjadi  nanomaterial  yang  berguna  untuk meningkatkan performansi sel.
Belum dihitung level energi untuk hole , semoga  penelitian  berikutnya  oleh  penulis  maupun peneliti lainnya bisa menghitungnya dan memodelkan level  energi  tersebut  baik  pada  pita  valensi  maupun pada pita konduksi jika ada. Membuat SS nanomaterial merealisasikannya  model  tersebut  didalam  piranti  SS KW dan KD yang nyata.

## DAFTAR PUSTAKA
DeVries.P.L. A  First  Course  in  Computational Physics. John Wiley and Sons.
Jogiyanto  H.M,  1998. Dasar-dasar  Pemrograman Pascal. Andi Offset,Yogyakarta.
Krane  K,  1996. Fisika  Modern. John  Wiley  and Sons.
Pauling  L,  1935, Introduction  to  Quantum Mechanics. McGraw-Hill Company, INC.
Sablon  K  A.,  Sergeev  A,  2014, Emerging  PV Nanomaterials:
Capabilities Versus
Recombination  Losses. Springer  Series  in Materials Science.
Sze  S.M.,  2003. Physics  of  Semiconductor  Devices
2nd edition. John Wiley and Sons.
Quinonez A, 2008, Introduction to
Nanotechnology. Electronics  and  Advanced Technologies Austin Community College.
Wang  Z,  Zhiming  M.W,  2014, High  Efficiency Solar  Cell. Springer  Series  in  Materials Science.