Home >Documents >UNIMED Undergraduate 22392 05 BAB II

UNIMED Undergraduate 22392 05 BAB II

Date post:20-Oct-2015
Category:
View:44 times
Download:3 times
Share this document with a friend
Transcript:
  • 5

    BAB II

    TINJAUAN PUSTAKA

    2.1. Material ZnO

    Di alam ZnO berbentuk mineral zincite. ZnO hampir tidak larut dalam air

    namun larut dalam basa. Pada struktur kristal, ZnO mempunyai sifat piezoelektrik

    dan termikromik. ZnO merupakan salah satu bahan kandidat yang telah menarik

    perhatian karena memiliki lebar celah pita energi sebesar 3.3 eV dan energi ikat

    eksitasi sebesar 60 MeV pada suhu kamar (Gupta, 2010). Oleh karena itu, ZnO

    merupakan bahan yang penting untuk laser UV dan devais optoelektronik, dan

    juga ZnO memiliki sifat listrik dan optik sehingga banyak digunakan sebagai

    fotokonduktor dan sensor terintegrasi.

    ZnO memiliki beberapa keuntungan jika dibandingkan dengan material GaN

    dalam hal aplikasi, namun keuntungan yang paling penting dalam aplikasinya

    adalah bahwa energi eksitasinya yang lebih besar dari GaN, dan kemampuan

    substrat kristalnya yang mampu berkembang cepat. Aspek lainnya yang membuat

    material ZnO diminati ialah senyawa kimianya yang dapat berpadu dengan

    senyawa lain (fleksibel), hal ini menunjukkan bahwa dengan senyawa lain dapat

    mengikat satu sama lain sehingga dapat menjadi larutan kimia basah.

    Seng Oksida (ZnO) merupakan salah satu persenyawaan dari logam Zn yang

    tergolong senyawa oksida. Secara umum, ZnO dapat dibuat dengan mereaksikan

    logam Zn dan oksigen pada suhu tinggi. Reaksi yang terjadi adalah sebagai

    berikut :

    2Zn + O2 2ZnO

    ZnO terjadi sebagai bubuk putih umumnya dikenal sebagai seng putih atau

    sebagai zincite mineral. Mineral biasanya berisi sejumlah unsur mangan dan

    lainnya dan kuning ke warna merah. Oksida seng kristal termo-kromat, berubah

    dari putih ke kuning ketika dipanaskan dan di udara beralih ke putih pada

    pendinginan. Perubahan warna seperti ini terjadi karena perbedaan temperatur,

    dikenal sebagai sifat termokromik. Perubahan warna seng oksida tersebut karena

    pemanasan, beberapa atom oksigen hilang dari kisi kristalnya sehingga

  • 6

    meninggalkan kisi kristal dalam keadaan kelebihan muatan negatif dan ini

    menghasilkan warna yang berbeda, kelebihan muatan negatif (elektron) dapat di

    pindahkan melalui kisi kristal dengan perbedaan potensial. Jadi, seng oksida ini

    bersifat sebagai semikonduktor. Pada pendinginan, atom-atom oksigen yang

    keluar dari kisi pada pemanasan tersebut kembali lagi ke posisi semula sehingga

    diperoleh warna semula.

    Sebagian besar ZnO mempunyai karakterisasi semikonduktor tipe n, bahkan

    tanpa adanya pengotor atau dopan. Hal ini dikarenakan adanya cacat kristal alami

    ZnO seperti kelebihan oksigen dan atom interstisi dari zinc. Sifat inilah yang

    menjadi dasar aplikasi ZnO dalam teknologi film tipis antara lain adalah

    penggunaan ZnO sebagai TCO dan film tipis sel surya.

    Mikrajuddin, dkk, (2008), melaporkan bahwa sebagai semikonduktor, ZnO

    sangat potensial diaplikasi sebagai elektroda transparan dalam teknologi

    fotovoltaik, piranti elektroluminisens dan material piranti pemancar ultraviolet.

    Nanopartikel Seng Oksida sebagai material semikonduktor yang menghasilkan

    luminisens biru sampai hijau-kuning yang cukup efisien. Sifat ini menjadikan

    ZnO sebagai material yang sangat potensial bagi pengembangan sumber cahaya

    putih (white light sources). Karena strukturnya yang kovalen, material oksida juga

    biasa disebut dengan keramik.

    Dalam bentuk lapisan tipisnya, material oksida ini transparan terhadap cahaya

    dikarenakan band gap-nya yang sesuai. Sifat konduktifnya (lebih tepatnya

    semikonduktif) diaplikasikan untuk transparent conducting oxide (TCO) pada

    layar LCD, LED, electrochromic windows (jendela yang bisa mengatur dirinya

    menjadi transparan-gelap) hingga lapisan pertama pada sel surya lapis tipis.

    Beberapa jenis metoda sintesis ZnO berstruktur nano adalah Chemical vapor

    deposition (CVD), metal-organic CVD, elektrodeposisi, solution process termasuk

    metoda sol-gel. Metode sol-gel merupakan proses yang mudah dan tidak

    memerlukan biaya tinggi, sehingga banyak digunakan beberapa tahun belakangan

    ini. Struktur kristal dan ukuran bulir partikel pada lapisan tipis ZnO sangat

    mempengaruhi sifat optik dan elektriknya. Pada dasarnya orientasi dari

    nanokristal yang membentuk lapisan tipis sangat bergantung pada jenis substrat

  • 7

    yang digunakan, hal ini berkaitan dengan energi permukaan yang terbentuk antara

    substrat dan lapisan yang ditumbuhkan. Penggunaan substrat yang memiliki

    ketidaksesuaian kisi yang kecil, akan mempermudah pembentukan kristal menjadi

    lebih teratur (preferred orientation) dan seragam.

    2.2. Struktur Kristal

    Kristal adalah zat padat yang susunan atom-atomnya atau molekulnya teratur.

    Partikel kristal tersusun secara berulang dan teratur serta perulangannya

    mempunyai rentang yang panjang. Struktur kristal terdapat pada hampir semua

    logam dan mineral. Suatu struktur kristal dibangun oleh sel unit, sekumpulan

    atom, yang tersusun secara khusus, yang secara periodik berulang dalam tiga

    dimensi dalam suatu kisi. Spasi antar sel unit dalam segala arah disebut parameter

    kisi. Struktur dan simetri suatu zat padat mempunyai peran penting dalam

    menentukan sifat-sifatnya, seperti struktur pita energi dan sifat optiknya.

    Gambar 2.1. Struktur wurtzite heksagonal ZnO. Atom O ditampilkan sebagai

    bulatan hijau besar, Zn atom sebagai bulatan hitam kecil.

    Pada tekanan dan temperatur lingkungan, struktur kristal ZnO adalah wurtzite

    seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1. Seng Oksida (ZnO) merupakan kristal

    senyawa ionik terdiri atas kation-kation dan anion-anion yang tersusun secara

    teratur dan berulang (periodik). Pola susunan yang teratur dan berulang dari ion-

    ion yang terdapat dalam suatu kristal menghasilkan kisi kristal dengan bentuk

    struktur tertentu. Seng Oksida mempunyai struktur intan dengan jaringan ikatan

  • 8

    kovalen. Berdasarkan struktur tersebut, ikatan kimia antara atom Zn dan atom O

    cenderung mengarah kepada ikatan ion karena kuatnya sistem polarisasi antara

    kedua atom tersebut. Ikatan Zn-O menyebabkan atom Zn menjadi sangat positif

    dan atom O menjadi sangat negatif. Tetapi pada akhirnya, kedua atom tersebut

    membentuk molekul yang netral. Kisi heksagonal dikarakterisasi dengan melihat

    hubungan subkisi (sublattice) Zn2+

    dan O2-,

    dimana ion Zn dikelilingi oleh ion

    tetrahedral dan sebaliknya. Struktur kristal wurtzite yang yang simetrinya

    hexagonal, dikarenakan ada 12 ion oksigen (O2-

    ) yang berada ditiap sudut atas dan

    bawah yang membentuk suatu prisma heksagonal. Setiap ion Zn2+

    maupun O2-

    merupakan pusat tethahedral dari keempat ion tetangganya.

    Tabel 2.1. Sifat Fisis Dasar ZnO dalam Ukuran Besar (bulk)

    No Sifat (properties) Nilai

    1 Konstanta kisi pada T = 3000C a0 = 0.32469 nm; c0 = 0.52069 nm

    2 Kerapatan 5.606 g/cm3

    3 Titik leleh 2248 K

    4 Konstatnta dielektrik relatif 8.66

    5 Energi gap 3.4 eV, langsung

    6 Konsentrasi pembawa intrinsik < 106 cm

    -3

    7 Energi ikat eksiton 60 meV

    8 Massa efektif elektron 0,24

    9 Mobilitas elektron (T = 3000 K) 200 cm

    2/Vs

    10 Massa efektif lubang (hole) 0,59

    11 Mobilitas lubang (hole) 5-50 cm2/Vs

    12 Titik leleh logam Zn 419,50

    C

  • 9

    2.3. Celah Pita Energi

    Salah satu topik yang hangat dalam riset nanomaterial ialah karena

    memiliki potensi aplikasi yang sangat luas adalah band gap engineering. Band

    gap engineering adalah rekayasa pita energi material untuk menghasilkan sifat

    optik, elektronik, maupun optoelektronik sesuai dengan yang diinginkan.

    Rekayasa ini umumnya meliputi pengontrolan lebar celah pita energi sehingga

    energi yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron dalam material atau energi

    yang dipancarkan elektron maupun hole ketika kembali ke keadaan dasar dapat

    diubah-ubah sesuai dengan yang diinginkan. Pengaturan lebah celah pita

    energi ini juga berdampak pada konduktivitas listrik material tersebut, karena

    makin kecil lebar celah pita energi maka konduktivitas umumnya makin besar.

    Logam adalah material yang tidak memiliki celah pita energi sehingga

    konduktivitasnya sangat besar.

    Dalam bahan semikonduktor murni, energi yang dimiliki elektron hanya

    mungkin berada pada salah satu pita energi, yaitu pita valensi atau pita konduksi.

    Gambar 2.2 adalah ilustrasi pita valensi dan konduksi dalam bahan semikonduktor.

    Pada suhu yang sangat rendah, elektron hanya menempati tingkat energi pada pita

    valensi. Antara pita valensi dan pita konduksi terdapat nilai-nilai energi yang tidak

    dapat dimiliki oleh elektron. Daerah tersebut disebut celah pita energi (energy band

    gap).

    Gambar 2.2. Ilustrasi Pita Valensi, pita konduksi, dan celah pita energi bahan

    Semikonduktor.

  • 10

    Jika mendapat energi yang cukup misalnya dari foton, atau panas, atau

    tumbukan oleh partikel lain, elektron yang semula berada .di pita velensi dapat

    meIoncat ke pita konduksi. Energi yang diterima elektron minimal harus sama

    dengan celah pita energi. Loncatan tersebut meninggalkan keadaan kosong di pita

    konduksi. Keadaan kosong tersebut berperilaku seolah-olah sebagai sebuah partikel

    bermuatan positif dan dinamakan lubang (hole). Persyaratan bagi elektron agar

    dapat mencapai pita konduksi adalah energi yang diterima harus lebih besar dari

    celah pita energi, Eg. Misalkan eksitasi dilakukan dengan gelombang cahaya

    (frekuensi rendah), maka frekuensi cahaya pengeksitasi harus memenuhi hf > Eg

    dengan h konstanta Planck dan f adalah frekuensi cahaya pengeksitasi.

    Umumnya,cahaya yang digunakan untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke

    pita konduksi adalah cahaya ultraviolet karena hanya cahaya inilah yang memiliki

    energi foton yang Iebih besar daripada energi celah pita energi kebanyakan bahan

    semikonduktor. Sebagai conthoh, untuk bahan semikonduktor dengan lebar celah

    pita energi 3,4 eV dapat dieksitasi dengan cahaya yang memiliki panjang

    gelombang di bawah 364 nm. Panjang gelombang ini berada di daerah ultraviolet.

    Keadaan tereksitasi bukan merupakan keadaan stabil. Elektron hanya

    bertahan beberapa saat di keadaan eksitasi dan setelah itu kembali ke keadaan

    awal mengisi kembali keadaan kosong yang semula ditinggalkannya di pita

    valensi. Proses ini disebut deeksitasi atau rekombinasi. Disebut rekombinasi

    karena elektron bergabung kembali dengan lubang, sehingga lubang menjadi

    hilang. Saat proses deksitasi ini dilepaskan energi yang bisa berupa panas (getaran

    atom-atom dalam bahan) atau bisa berupa pemancaran cahaya. Deeksitasi yang

    disertai pelepasan panas disebut transisi tanpa radiasi (radiationless transition),

    sedangkan deeksitasi yang disertai pemancaran gelombang elektromagnetik

    disebut transisi radiasi (radiative transition). Pada transisi radiatif, energi

    gelombang elektromagnetik yang dipancarkan kira-kira sama dengan lebar celah

    pita energi, yaitu hf Eg. Dengan demikian, frekuensi gelombang

    elektromagnetik yang dipancarkan adalah f Eg/h.

    Karena frekuensi merepresentasikan warna, maka tampak disini bahwa warna

    yang dihasilkan material ketika terjadi proses deeksitasi sangat bergantung pada

  • 11

    lebar celah pita energi. Ini merupakan salah satu dasar rekayasa pita energi. Jika

    dapat melakukan pengontrolan lebar celah pita energi material maka akan

    dihasilkan material yang menghasilkan warna yang berbeda-beda.

    Pengaruh dimensi partikel terhadap lebar celah pita energi dapat dipahami

    sebagai berikut. Ketika elektron berpindah dari pita valensi ke pita kondukasi,

    yang berarti elektron melepaskan diri dari ikatan oleh ion-ion positif di sekitarnya

    sehingga menjadi elektron yang lebih bebas. Elektron paling sulit melepaskan diri

    dari satu atom terisolasi. Energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari

    atom terisolasi sama dengan energi ionisasi, dan nilainya sangat besar. Jika

    beberapa atom digabung menjadi material maka elektron-elektron dalam material

    tersebut menjadi lebih mobil. Akibatnya makin sedikit energi yang diperlukan

    untuk membuat elektron-elektron dalam material tersebut untuk menjadi elektron

    yang lebih bebas. Ini berarti, lebar celah pita energi yang dimiliki material yang

    tersusun dari sejumlah atom makin kecil. Makin banyak jumlah atom penyusun

    material maka makin kecil energi yang diperlukan untuk menghasilkan elektron-

    elektron yang hampir bebas, berarti makin kecil pula lebar celah pita energi.

    Sampai suatu saat, kebebasan elektron mencapai nilai saturasi di maka

    penambahan jumlah atom penyusun material tidak legi mengubah kekebasan

    elektron. Dalam keadaan ini lebar celah pita energi tidak lagi bergantung pada

    ukuran material. Lebar celah pita energi sama dengan lebar celah pita energi

    material dalam keadaan besar atau bulk.

    2.4. Koloid

    Koloid (sistem koloid) merupakan campuran heterogen antara solut dengan

    pelarut, dimana solut tetap ada (tersebar) pada pelarut. Dalam sistem koloid

    terdapat dua bagian fasa, yaitu: fasa dalam (solute), disebut juga fasa terdispersi

    dan fasa luar (pelarut), disebut juga fasa pendispersi.

  • 12

    Solut maupun pelarut mempunyai tiga macam fase yaitu gas, cair dan padat maka

    terdapat 8 macam sistem koloid seperti pada tabel berikut :

    Tabel 2.2. Sistem Koloid

    Fasa

    Terdispersi

    Fasa

    Pendispersi

    Penyebutan Nama Contoh

    Gas

    Gas

    Cair

    Cair

    Cair

    Padat

    Padat

    Padat

    Cair

    Padat

    Gas

    Cair

    Padat

    Gas

    Cair

    Padat

    Gas dalam cair

    Gas dalam padat

    Cair dalam gas

    Cair dalam cair

    Cair dalm padat

    Padat dalam gas

    Padat dalam cair

    Padat dlm padat

    Buih

    Busa padat

    Aerosol cair

    Emulsi

    Emulsi padat

    Aerosol pdt

    Sol

    Sol padat

    Busa sabun

    Karet busa

    Kabut

    Susu

    Mentega

    Asap

    Larutan kanji

    Camp logam

    ( perunggu )

    (Verlyana, 2008)

    Berdasarkan Interaksinya dengan Pelarut (air) koloid dapat dibagi menjadi dua

    macam yaitu : (1) koloid hidrofil yaitu koloid yang dapat campur dengan air,

    dapat diencerkan dan lebih stabil. Contohnya koloid dari senyawa-senyawa

    organik, misalnya kanji (amilum), agar-agar, dsb dan (2) koloid hidrofob yaitu

    tidak dicampur dengan air, sehingga tidak dapat diencerkan dan kurang stabil.

    Contohnya koloid dari senyawa anorganik, misalnya sol belerang (S), Fe(OH)3.

    Pembentukan koloid ditentukan oleh ukuran partikel solut, semakin kecil ukuran

    partikel solut, maka akan semakin mudah larut dan sebaliknya, semakin besar

    ukuran partikel solut, maka akan mudah membentuk endapan.

    2.5. Teknologi Film Tipis

    Divais semikonduktor dalam bentuk film disajikan dalam dua jenis yaitu film

    tipis dan film tebal. Syarat untuk penumbuhan film tipis adalah ketidaksesuaian

    film dengan kisi kecil, sehingga tidak terjadi cacat kristal. Proses penumbuhan

  • 13

    lapisan tipis semikonduktor di atas substrat dapat dilakukan secara epitaksi.

    Epitaksi berasal dari bahasa yunani. Epi berarti di atas dan taksial berarti

    menyusun. Sehingga epitaksi didefenisikan sebagai proses penyusunan atom-atom

    bahan kristal di atas substrat kristal tunggal dengan susunan lapisan yang

    dihasilkan merupakan sambungan dari garis struktur kristal substrat.

    Apabila lapisan tipis yang ditumbuhkan memiliki kesamaan sifat-sifat kimia,

    parameter kisi dan struktur kristal, dan struktur kristal dengan substrat maka

    proses penumbuhannya disebut proses Homoepitaksi, contoh: Si di atas Si.

    Sehingga tidak memiliki ketidasesuaian kisi dan regangan kisi. Sedangkan apabila

    lapisan tipis yang ditumbuhkan tidak memiliki kesamaan dalam sifat-sifat kimia,

    parameter kisi, dan struktur kristal dengan substrat maka proses penumbuhannya

    disebut Heteroepitaksi, contoh: Si di atas substrat Al2O3 sehingga memiliki

    ketidaksesuaian kisi, regangan kisi dan akan muncul cacat kristal.

    Ada beberapa teknik yang digunakan dalam penumbuhan film tipis, yaitu:

    1. Metoda Physical Vapor Deposition (PVD) merupakan deposisi uap dengan

    reaksi fisika yaitu: Sputtering (DC atau RF) dan Pulsed Laser Deposition

    (PLD).

    2. Metode Chenical Vapor Deposition (CVD) merupakan deposisi uap dengan

    reaksi kimia, yaitu: Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD),

    Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) dan Low Pressure

    Chemical Vapor Deposition (LPCVD).

    2.5.1. Dasar Dasar Penumbuhan Film Tipis

    Pertumbuhan film tipis, untuk semua fase transformasi, melibatkan proses

    nukleasi dan pertumbuhan pada substrat atau pertumbuhan permukaan. Proses

    nukleasi memainkan peran yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas

    dan mikrostruktur film yang dihasilkan. Untuk deposisi film tipis dengan

    ketebalan dalam ukuran nanometer, proses nukleasi awal bahkan lebih penting.

    Nukleasi dalam pembentukan film adalah nukleasi heterogen, energi penghalang

    dan ukuran nukleus kritis. Ukuran dan bentuk awal inti yang dianggap hanya

    bergantung pada perubahan volume energi bebas Gibbs, karena untuk

  • 14

    supersaturasi, dan efek gabungan energi permukaan dan antarmuka diatur oleh

    persamaan Young. Interaksi antara film dan substrat memainkan peran yang

    sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film.

    Berdasarkan hasil eksperimental dinyatakan bahwa ada tiga mode dasar nukleasi

    yaitu (Milton, 1992):

    (1) pertumbuhan pulau atau Volmer-Weber,

    (2) Pertumbuhan lapisan atau Frank-van der Merwe

    (3) Pulau-lapisan atau Stranski-Krastonov.

    Gambar 2.3. Ilustrasi tiga mode dasar nukleasi awal dalam pertumbuhan film.

    Gambar 2.3 mengilustrasikan tiga mode dasar nukleasi awal dalam pertumbuhan

    film. Pulau pertumbuhan terjadi ketika spesies pertumbuhan lebih kuat terikat satu

    sama lain daripada substrat. Banyak sistem logam pada substrat isolator, halida

    alkali, grafit dan substrat mika menampilkan jenis nukleasi selama awal deposisi

    film . Hasil pertumbuhan berikutnya terjadinya pengabungan pulau-pulau dan

    membentuk lapisan film. Pertumbuhan lapisan adalah kebalikan dari pertumbuhan

    pulau, dimana pertumbuhan spesies sama-sama terikat lebih kuat ke substrat

    daripada satu sama lain. Lapisan pertama lengkap dibentuk, sebelum deposisi

  • 15

    lapisan kedua terjadi. Pertumbuhan pulau, pertumbuhan lapisan dan pertumbuhan

    pulau-lapisan umumnya melibatkan stress selama pembentukan inti atau film.

    Deposisi suhu dan tingkat pertumbuhan spesies merupakan dua faktor yang paling

    penting dalam hal ini.

    1. Pertumbuhan film kristal tunggal merupakan yang paling sulit dan

    membutuhkan: (i) substrat kristal tunggal dengan pertandingan jarak kisi , (ii)

    permukaan substrat yang bersih sehingga untuk menghindari terjadinya

    nukleasi sekunder, (iii) suhu pertumbuhan yang tinggi sehingga untuk

    menjamin mobilitas yang cukup dari spesies pertumbuhan dan (iv) tingkat

    spesies pertumbuhan rendah sehingga untuk memastikan waktu yang cukup

    untuk difusi permukaan dan penggabungan spesies pertumbuhan ke dalam

    struktur kristal dan untuk relaksasi struktural sebelum munculnya spesies

    pertumbuhan berikutnya.

    2. Pengendapan amorf film biasanya terjadi : (i) ketika dilakukan suhu rendah

    pertumbuhan, sehingga tidak cukup mobilitas permukaan untuk pertumbuhan

    spesies (ii) ketika masuknya pertumbuhan spesies ke permukaan pertumbuhan

    sangat tinggi, pertumbuhan spesies tidak memiliki cukup waktu untuk

    menemukan situs pertumbuhan dengan energi terendah.

    3. Kondisi untuk pertumbuhan film polikristalin kristal terjadi antara kondisi

    pertumbuhan kristal tunggal dan deposisi film amorf. Secara umum, suhu

    deposisi yang cukup memastikan mobilitas permukaan untuk pertumbuhan

    spesies dan fluks pertumbuhan spesies cukup tinggi.

    Kondisi pertumbuhan untuk polikristalin kristal tunggal, dan film amorf silikon

    dengan metode uap kimia juga dapat berlaku untuk film elemen tunggal, seperti

    ditunjukkan pada gambar 2.3. Namun, proses pertumbuhan ini merupakan kasus

    yang kompleks dalam sistem disebabkan adanya materi kotoran dan aditif.

    Epitaksial adalah proses yang sangat khusus, dan mengacu pada pembentukan

    atau pertumbuhan kristal tunggal di atas substrat. Tingginya pertumbuhan

    epitaksial menyebabkan terjadinya homoepitaksi dan heteroepitaksi.

  • 16

    Homoepitaksi adalah untuk tumbuh film di substrat, di mana keduanya bahan

    yang sama. Pertumbuhan Homoepitaksial biasanya digunakan untuk

    menumbuhkan kualitas film yang lebih baik atau memperkenalkan dopan menjadi

    film yang lebih baik. Heteroepitaksi mengacu pada kasus bahwa film dan substrat

    adalah bahan yang berbeda. Perbedaan antara film homoepitaksial dan film

    heteroepitaksial adalah pertandingan kisi antara film dan substrat. Tidak ada

    ketidaksesuaian kisi antara film dan substrat oleh pertumbuhan homoepitaksiial.

    Sebaliknya, akan ada ketidaksesuaian kisi antara film dan substrat pertumbuhan

    heteroepitaksial.

    2.6. Prekursor

    Prekursor adalah bahan kimia yang menjadi dasar atau sumber dalam

    pembentukan material yang lain. Ada beberapa kriteria material untuk disebut

    sebagai prekursor, yaitu mempunyai sifat reaktif, mudah berubah menjadi zat lain,

    dan mudah menjadi radikal akibat perlakuan termal maupun akibat proses

    kimiawi.

    2.6.1. TEA (trietanolamina)

    Tabel 2.3. Sifat Fisis dan Kimia Trietanolamin

    No Sifat Nilai

    1 Formula C6H15NO3

    1 Kelarutan di dalam air (200

    C) larut

    2 Titik lebur 220

    C

    3 Densitas 1.242 g/cm3 (20

    0 C)

    4 Titik didih 335.40 C

    5 Indeks Refraktif 1.485

  • 17

    2.7. Pelarut Etanol

    Tabel 2.4. Sifat Fisis dan Kimia Etanol

    Sifat Nilai

    Rumus molekul C2H6O

    Warna Bening

    Titik didih 78.370 C

    Titik lebur -1140 C

    Kelarutan dalam air dapat dicampur (miscible)

    Indeks refraksi 1.36

    2.8. Sifat Adesif Pelapisan (Coating)

    Ketahanan pelapisan (coating) sangat dipengaruhi oleh kemampuan pelapisan

    untuk menempel (adhesive) pada material substrat. Jika daya tempel tidak kuat

    maka selain pelapisan tidak menempel dengan baik, hal ini dapat juga memberi

    kesempatan kepada udara lembab masuk ke celah antara lapisan dan substrat yang

    menyebabkan kontaminasi. Ada beberapa jenis daya ikatan antara lapisan dengan

    material substrat, antara lain:

    a. Daya ikat kimia (chemical bonding adhesion), yaitu daya ikat yang terjadi

    antara pelapisan dengan material substrat berupa ikatan atom. Contohnya yaitu

    pada pelapisan zinc (seng) untuk melapisi baja, atau yang biasa disebut

    galvanized steel. Zinc berikatan dengan baja membentuk paduan intermetalik

    FeZn. Jenis ikatan ini adalah ikatan yang paling kuat.

    b. Daya ikat polar (polar adhesion), yaitu daya ikat yang terjadi karena gaya

    tarik menarik material polar. Contohnya yaitu pelapisan organik, yang banyak

    mengandung senyawa polar. Jenis ikatan ini tidak akan bekerja dengan baik

    apabila terdapat zat pengotor di permukaan substrat seperti kotoran, minyak,

    air, dan lain-lain.

    c. Daya ikat mekanik (mechanical adhesion), yaitu daya ikat yang terjadi karena

    ikatan secara mekanik (mechanical interlocking). Contohnya yaitu dengan

    penggunaan pelapisan pada permukaan substrat yang kasar, seperti

    penggunaan sand blast ataupun bahan abrasif sebelum proses pelapisan.

  • 18

    Selain itu bisa juga penggunaan pelapisan yang akan mengkerut ketika

    perbaikan (curing) sehingga akan membungkus material substrat dengan baik,

    seperti epoksi, poliester, dan lain-lain.

    2.9. Substrat Kaca

    Pada penumbuhan film tipis diperlukan substrat sebagai tempat untuk

    tumbuhnya film tipis. Substrat yang digunakan adalah yang memiliki parameter

    kisi dan koefisien termal yang hampir sama dengan film tipis. Beberapa material

    yang umumnya digunakan sebagai substrat antara lain safir (Al2O3), kaca, silikon

    dan sebagainya. yang digunakan untuk pembuatan film tipis ZnO adalah kaca.

    Kaca adalah bahan yang tidak padat, karena molekul-molekunya disusun secara

    acak seperti zat cair, namun kohesinya membuat bentuknya menjadi stabil.

    Karena susunannya acak seperti zat cair itulah maka kaca terlihat transparan.

    Selain itu kaca juga merupakan material non-organik hasil dari proses

    pendinginan tanpa melalui proses kristalisasi.

    Dipandang dari segi fisika kaca merupakan zat cair yang sangat dingin

    karrena struktur- struktur partikel penyusunnya yang saling berjauhan seperti

    dalam zat cair namun berwujud padat. Ini terjadi akibat proses pendinginan yang

    sangat cepat. Dari segi kimia, kaca adalah gabungan dari berbagai oksida

    anorganik yang tidak mudah menguap, yang dihasilkan dari dekomposisi dan

    peleburan senyawa alkali dan alkali tanah, pasir serta berbagai penyusun lainnya.

    Fungsi substrat dalam pembuatan film tipis yaitu:

    a. Sebagai penunjang interkoneksi dan perakitan devais

    b. Sebagai isolator dan tempat pelapisan serta pembentukan pola jalur konduktor

    dan komponen pasif

    c. Media panas penyalur rangkaian

    d. Sebagai lapisan dielektrik untuk rangkaian-rangkaian frekuensi tinggi

    Secara umum substrat harus memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

    1. Kestabilan dimensi (tidak mudah berubah)

    2. Tahan terhadap gesekan

    3. Konstanta dielektrik yang rendah

  • 19

    4. Permukaan rata dan halus

    5. Stabilitas kimia yang baik dan kecocokan dengan pasta atau sol

    6. Daya serapnya rendah

    7. Jenis isolator yang baik

    Tabel 2.5. Sifat fisis kaca mikroskop

    Sifat Nilai

    Warna Bening

    Prinsip penggunaan Sebagai substrat listrik dan optik

    Ekspansi termal 0 - 3000 C

    Titik pemanasan anealing 6390 C

    Kerapatan 2,76 g/cm3

    Transmitansi

    70 % (320 nm)

    90 % (360 nm)

    90 % (380- 2200 nm)

    2.10. Metoda Sol-Gel

    Metode sol gel adalah metode dengan menggunakan proses kimia dimulai

    dari bentuk ion yang lebih besar (bulk) ditambah pereaksi kimia sehingga ion

    yang dihasilkan berukuran nanopartikel. Metode sol-gel merupakan proses yang

    banyak digunakan untuk membuat keramik, material gelas dan teknik kimia yang

    juga dikenal sebagai deposisi larutan kimia. Metode ini dikenal sebagai wet

    method karena pada prosesnya menggunakan larutan sebagai medianya (pelarut).

    Pada metode ini, mengalami perubahan fase yaitu dari fase solid yang berupa

    serbuk akan berubah menjadi fase sol (koloid yang memiliki padatan tersuspensi

    dalam larutan) lalu berubah menjadi gel. Material yang biasanya digunakan dalam

    proses sol-gel adalah garam logam inorganik (inorgaic metal salt) atau campuran

    logam organik (metal organik compound). Pada proses sol-gel, prekursor

    molekular dirubah menjadi partikel berukuran nano untuk membentuk suspensi

    koloid atau sol. Nanopartikel koloid ini kemudian berikatan satu dengan yang lain

    melalui proses polimerisasi untuk membentuk gel. Polimerisasi membuat proses

  • 20

    difusi kimia terus meningkat kemudian gel tersebut dikeringkan dan dikalsinasi

    untuk menghasilkan bubuk. Kalsinasi dapat dilakukan dengan menggunakan alat

    yang dapat menghasilkan suhu yang seragam bagi bahan sehingga proses

    pencampuran bahan memungkinkan untuk pembentukan produk yang lebih

    seragam. Pada suatu sintesa untuk menghilangkan atau mengurangi kadar air

    dalam air dan pengotor perlu dilakukan proses yang disebut kalsinasi. Pemanasan

    atau kalsinasi akan terbentuk agregat partikel dimana penggerusan dari agregat

    yang besar tersebut diperoleh serbuk yang baik. Selain itu, kalsinasi juga

    memiliki fungsi untuk menghilangkan sisa senyawa prekursor yang tidak bisa

    hilang pada suhu rendah.

    Bahan awal atau precursor juga dapat disimpan pada suatu substrat untuk

    membentuk film (seperti melalui dipcoating atau spincoating), yang kemudian

    dimasukkan kedalam suatu kontainer yang sesuai dengan bentuk yang diinginkan

    contohnya untuk menghasilkan suatu keramik monolitik, gelas, fiber atau serat

    membran, aerogel, atau juga untuk mensitesis bubuk baik butiran mikro maupun

    nano.

    2.10.1. Kimia Sol Gel

    Kimia sol gel didasarkan pada hidrolisis dan kondensasi dari prekursor.

    Umumnya pada sol gel ditunjukkan penggunaan alkoksida sebagai prekursor.

    Alkoksida memberikan suatu monomer yang dalam beberapa kasus yang terlarut

    dalam bermacam-macam pelarut khususnya alkohol. Alkohol membolehkan

    penambahan air untuk mulai reaksi, keuntungan lain alkoksida adalah untuk

    mengontrol hidrolisis dan kondensasi. Prose sol-gel terdiri dari 4 tahap, yaitu:

    1. Hidrolisis

    Pada tahap pertama prekursor (alkoksida) dilarutkan dalam alkohol dan

    terhidrolisis dengan penambahan air pada kondisi asam, netral atau basa

    menghasilkan sol koloid. Hidrolisis menggantikan ligan (-OR) dengan gugus

    hidroksil (-OH) dengan reaksi sebagai berikut:

    M(OR)z + H2O M(OR)(z-1)(OH) + R(OH)

  • 21

    Faktor yang berpengaruh pada proses hidrolisis adalah rasio air atau prekursor dan

    jenis katalis hidrolisis yang digunakan. Peningkatan rasio pelarut atau prekursor

    akan meningkatkan reaksi hidrolisis. Reaksi berlangsung cepat sehingga waktu

    gelasi lebih cepat. Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis adalah jenis

    katalis asam atau katalis basa, namun proses hidrolisis juga dapat berlangsung

    tanpa menggunakan katalis. Dengan adanya katalis maka proses hidrolisis akan

    berlangsung lebih cepat dan konversi menjadi lebih tinggi.

    2. Kondensasi

    Pada tahapan ini terjadi proses transisi dari sol menjadi gel. Reaksi kondensasi

    melibatkan ligan hidroksil untuk menghasilkan polimer dengan ikatan M-O-M.

    Pada berbagai kasus , reaksi ini juga menghasilkan produk samping berupa air

    atau alkohol dengan persamaan reaksi secara umum

    Kondensasi air : M-OH + HO-M M-O-M + H2O

    Kondensasi alkohol : M-O-R + HO-M M-O-M + R-OH

    3. Pematangan (Aging)

    Setelah reaksi hidrolisis dan kondensasi, dilanjutkan dengan proses

    pematangan gel yang terbentuk. Proses ini lebih dikenal dengan nama proses

    aging. Pada proses pematangan ini, terjadi reaksi pembentukan jaringan gel yang

    lebih kaku, kuat, dan menyusut di dalam larutan. Parameter prosesnya adalah

    waktu, temperatur, komposisi cairan dan lingkungan aging.

    4. Pengeringan (kalsinasi)

    Tahap terakhir adalah proses penguapan larutan dan cairan yang tidak

    diinginkan untuk mendapatkan struktur sol-gel yang memiliki luas permukaan

    yang tinggi. Kalsinasi berguna untuk melepaskan template yang digunakan dalam

    proses gel. Parameter prosesnya adalah temperatur, waktu dan gas (inert atau

    reaktif).

    Struktur dan sifat fisik gel sangat bergantung pada beberapa hal, diantaranya :

    Pemilihan bahan baku material

    Laju hidrolisis dan kondensasi

    Modifikasi kimiawi dari sistem sol-gel

  • 22

    Metode sol gel cocok untuk preparasi film tipis dan material berbentuk bubuk

    (powder). Tujuan preparasi ini agar suatu material dapat memiliki fungsional

    khusus (elektrik, optik, magnetik, dll). Metode sol gel memiliki keuntungan

    antara lain:

    Biaya murah

    Untuk partikel halus, rentang ukuran 0,1 sampai beberapa mikron

    Mudah dalam kontrol komposisi (kehomogenan komposisi kimia baik)

    Temperatur proses rendah

    2.11. Preparasi Pre-Pelapisan (Coating)

    Permukaan logam biasanya belum bisa langsung diberikan pelapis, karena

    kualitas permukaan yang rendah serta kemungkinan adanya kotoran dan minyak

    dapat mengganggu sifat adesif dari pelapisan.

    Oleh karena itu perlu dilakukan proses preparasi terlebih dahulu sebelum

    dilakukan proses pelapisan. Proses pre-pelapisan ini terdiri dari dua jenis, yaitu

    pembersihan secara mekanik (mechanical cleaning) dan pembersihan secara

    kimiawi (chemical cleaning).

    1. Mechanical cleaning, yaitu dengan menggunakan material abrasif untuk

    menghilangkan kotoran pada permukaan. Proses mekanik yang digunakan

    umumnya yaitu grinding, sand blasting, dan lain-lain. Kontaminan yang dapat

    dibersihkan antara lain scale, produk korosi, maupun sisa pelapisan

    sebelumnya dengan mengikis permukaan material substrat tersebut.

    2. Chemical cleaning, yaitu proses pembersihan dengan menggunakan bahan

    kimia. Cara pengaplikasiannya dapat diusapkan, disemprot, diuapkan, dan

    dicelupkan. Ada beberapa jenis pembersihan secara kimiawi, antara lain:

    a. Emulsion cleaning, yaitu dengan menggunakan larutan berbahan dasar

    organic (surfaktan) yang dapat membersihkan minyak seperti deterjen dan

    pengemulsi.

    b. Alkaline cleaning, yaitu dengan menggunakan larutan garam alkali untuk

    membersihkan kotoran dan minyak. Larutan yang umum digunakan antara

    lain sodium hydroxide (NaOH) dan sodium carbonate (Na2CO3). Biasanya

  • 23

    garam tersebut dilarutkan dengan air hangat sebanyak 80-40%. Setelah proses

    alkaline cleaning, semua zat alkalin harus dibersihkan dengan air atau uap

    agar tidak mengganggu kinerja pelapisan.

    c. Pickling (Acid cleaning), yaitu dengan menggunakan larutan asam untuk

    membersihkan kerak dan korosi. Larutan asam yang biasa digunakan yaitu

    asam sulfat (H2SO4) yang akan melarutkan oksida pada permukaan.

    2.12. Pelapisan dengan Metode Pencelupan (Dipcoating)

    Teknik dipcoating adalah proses dimana substrat dilapisi dengan cara

    dicelupkan ke dalam larutan dan kemudian diangkat kembali dengan kecepatan

    penarikan substrat yang telah ditetapkan dengan kontrol temperatur dan atmosfer.

    Ketebalan lapisan dipengaruhi oleh kecepatan penarikan substrat dari larutan dan

    viskositas larutan.

    Gambar 2.4 Alat Pencelup (dipcoater) sampel

    2.13. Perlakuan Panas

    Proses perlakuan panas merupakan kombinasi operasi pemanasan dan

    pendinginan dengan kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap material dalam

    keadaan padat sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu.

  • 24

    Proses perlakuan panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan dimulai

    dengan pemanasan sampai temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan

    selama beberapa saat lalu kemudian dilakukan pendinginan menuju temperatur

    yang lebih rendah dengan kecepatan tertentu.

    Secara umum proses perlakuan panas dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu:

    1. Proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang seimbang (near

    equilibrium). Tujuan utama dari perlakuan panas ini diantaranya adalah untuk

    memperbaiki struktur kristal dan menghasilkan butir. Contoh perlakuan panas

    yang termasuk jenis near equilibrium adalah pemanasan awal (preheating)

    dan anealing. Anealing pada suatu material dilakukan dengan cara

    memanaskan material sampai temperatur yang cukup tinggi kemudian

    mempertahankan pemanasannya pada suhu tinggi selama beberapa saat agar

    tercapai perubahan yang diinginkan seperti membuat sedikit pertumbuhan

    butiran-butiran agar diperoleh struktur mikro dengan butir yang halus dan

    seragam kemudian didinginkan secara perlahan-lahan dengan laju pendinginan

    yang cukup lambat.

    2. Proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang tidak seimbang (non

    equilibrium). Tujuan umum dari perlakuan panas ini adalah untuk

    mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi. Salah satu jenis

    perlakuan panas non equilibrium adalah hardening. Hardening biasa dilakukan

    pada baja dengan tujuan untuk memperoleh sifat tahan yang aus yang lebih

    tinggi dan kekuatan yang lebih baik.

    2.13.1. Pengaruh Temperatur Substrat

    Pemanasan substrat memberikan energi pada pembentukan orientasi kristal

    pada film yang akan ditumbuhkan. Oleh karena itu penambahan energi pada

    sistem ini sangat penting untuk penumbuhan film tipis dengan orientasi kristal

    yang baik. Tetapi hal ini bukan berarti dengan memberikan pemanasan atau energi

    yang lebih besar selalu lebih baik. Jika terlalu banyak energi yang ditambahkan

    pada sistem saat film ditumbuhkan maka dapat muncul beberapa permasalahan.

    Saat nanopartikel ZnO akan ditumbuhkan pada substrat, tentunya mereka

  • 25

    memiliki ekspansi termal yang berbeda karena keduanya merupakan material

    yang berbeda. Sehingga jika substrat dipanaskan menuju temperatur tinggi, saat

    penumbuhan hal ini dapat saja baik, tetapi saat sampel didinginkan menuju

    temperatur ruangan maka dapat mengakibatkan terbentuknya sisa tekan (residual

    stress). Energi yang terlalu besar mengakibatkan terjadinya tekanan (stress) tetapi

    jika tidak ada cukup energi maka kristalisasi tidak terjadi dengan baik atau tidak

    sesuai dengan yang diinginkan.

    Pemanasan pada lapisan ZnO mengakibatkan terjadinya pergesaran pita on

    set absorbansi ke arah panjang gelombang yang lebih pendek (blue shift), hal ini

    berkaitan dengan meningkatnya besar pita energi pada lapisan ZnO yang

    terbentuk. Peningkatan besar pita energi dipengaruhi oleh ukuran partikel, cacat

    material dan impuritas. Selain itu tingkat pemanasan yang lebih tinggi dapat

    menghasilkan struktur kristaldan morfologi yang lebih baik dan secara langsung

    berkaitan dengan menurunnya ukuran kristal serta meningkatkan celah energi.

    Orientasi sumbu-c (c-axis) film tipis ZnO menurun pada temperatur substrat

    ( 6000 C) berdasarkan

    hasil penelitian sebelumnya menyebabkan pembentukan stoikiometri film tipis.

    Proses nukleasi bergantung pada energi antarmuka antara permukaan substrat dan

    spesies padat (condensing spesies) dimana energi antarmuka tersebut ditentukan

    oleh temperatur substrat. Pergerakan atau mobilitas dari spesies nano

    menggambarkan kristal film tipis.

    Berdasarkan hasil pengamatan yang telah dilakukan, bahwa transmitansi optik

    (T) dalam sinar tampak (400 700 nm) bertambah sedikit dengan bertambahnya

    temperatur substrat dari temperatur ruangan menuju suhu 3000 C, dan ini

    berhubungan dengan bertambahnya ukuran bulir film dengan bertambahnya

    temperatur substrat, seperti dalam gambar 2.5.

  • 26

    Gambar 2.5. Transmisi ZnO yang ditumbuhkan pada substrat kaca pada

    temperatur yang berbeda.

    2.13.2. Proses preheating dan post-heating

    Proses pemanasan (heating) dilakukan dengan menggunakan tanur (furnace)

    mulai dari suhu ruang hingga ke suhu yang diinginkan. Temperatur dinaikkan

    secara perlahan-lahan hingga temperatur maksimum yang diinginkan yaitu selama

    beberapa jam. Sample didiamkan selama beberapa menit pada suhu yang

    divariasikan secara berurutan, kemudian diturunkan secara perlahan hingga suhu

    ruang. Tahap ini dikatakan juga sebagai tahap preheating yang berfungsi untuk

    mengevaporasi larutan ,membersihkan film dari residu organik. dan memfasilitasi

    perubahan ZnOH menjadi ZnO seiring dengan pemanasan (hidrolisis). Agar bisa

    menghasilkan film ZnO yang transparan maka temperatur preheating yang biasa

    dilakukan pada substrat kaca adalah 2000 C- 300

    0 C.

    Tahap selanjutnya postheating dimana sampel dipanaskan pada suhu > 5000C

    selama beberapa menit lalu temperatur diturunkan secara alami hingga kembali ke

    suhu ruang. Postheating ini berfungsi untuk pembentukan kristal dari partikel

    ZnO. Diharapkan kristal yang terbentuk memiliki orientasi yang seragam, dan

    memiliki ukuran bulir kecil serta meminimalisir pori-pori yang terbentuk.

  • 27

    Sesuai dengan data yang diperoleh, Jianguo, Lv.,2011 melaporkan bahwa

    semakin besar temperatur pemanasan awal dengan temperatur pemanasan akhir

    konstan maka ukuran partikel ZnO yang diperoleh semakin kecil.

    Tabel 2.6. Pengaruh pemanasan terhadap tekanan residu dan ukuran rata-rata

    kristal sampel film tipis ZnO

    Sampel Temperatur

    Preheating (0C)

    Temperatur

    postheating (0C)

    Ukuran Kristal (nm)

    A1 150 400 16.9

    A2 200 400 16.7

    A3 250 400 4.6

    B1 150 600 28.4

    B2 200 600 21.8

    B3 250 600 21.4

    2.14. Sel Surya

    Sel surya adalah suatu perangkat yang mengkonversi energi radiasi matahari

    menjadi energi listrik. Sel surya pada dasarnya terdiri dari hubungan pn atau

    ikatan antara sisi positif dan negatif di dalam sebuah sistem semikonduktor. Sel

    surya atau photovoltaic (PV) adalah suatu sistem atau cara langsung untuk

    mentransfer radiasi matahari atau energi cahaya menjadi energi listrik. Efek

    fotovoltaik pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel pada tahun 1839. Efek

    fotovoltaik adalah fenomena dimana suatu sel fotovoltaik dapat menyerap energi

    cahaya dan merubahnya menjadi energi listrik karena munculnya voltase listrik

    akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan atau cairan

    saat diletakkan di bawah energi cahaya.

    2.14.1. Konversi Energi Pada Sel Surya

    Pada dasarnya mekanisme konversi energi cahaya terjadi akibat adanya

    perpindahan elektron bebas dalam suatu atom. Sel surya pada umumnya

    menggunakan material semikonduktor sebagai penghasil elektron bebas. Ketika

  • 28

    foton dari suatu sumber cahaya menumbuk suatu elektron valensi dari atom

    semikonduktor mengakibatkan suatu energi yang cukup besar untuk memisahkan

    elektron tersebut terlepas dari struktur atomnya. Elektron yang terlepas tersebut

    menjadi bebas bergerak di dalam bidang kristal dan elektron tersebut menjadi

    bermuatan negatif dan berada pada daerah pita konduksi dari material

    semikonduktor. Akibat hilangnya elektron mengakibatkan terbentuknya suatu

    kekosongan pada struktur kristal yang disebut hole dan bermuatan positif.

    Daerah semikonduktor dengan elektron bebas dan bersifat negatif bertindak

    sebagai donor elektron yang disebut daerah tipe negatif atau tipe n. Sedangkan

    daerah semikonduktor dengan lobang bersifat positif dan bertindak sebagai

    penerima elektron. Daerah ini disebut tipe positif atau tipe p. Ikatan dari kedua sisi

    posisi dan negatif tersebut menghasilkan energi listrik internal yang akan

    mendorong elektron bebas dan lobang untuk bergerak ke arah yang berlawanan.

    Elektron akan bergerak menjauhi sisi negatif, sedangkan lobang bergerak

    menjauhi sisi positif. Ketika hubungan ini dihubungkan dengan sebuah beban

    seperti lampu akan menghasilkan sebuah arus listrik.

    Gambar 2.6. Susunan sambungan pn standar sel surya tahun 1960-an

    Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya

    fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium pengirim

    muatan. Selain elektrolit, DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari

    nanopartikel TiO2 maupun ZnO, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan

  • 29

    ZnO, larutan elektrolit dan katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca

    konduktif, seperti terlihat pada Gambar 2.6. Pada bagian atas dan alas sel surya

    merupakan kaca yang sudah dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide),

    yang berfungsi sebagai elektroda dan counter-elektroda. Pada TCO counter-

    elektroda dilapisi katalis untuk mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit.

    Gambar 2.7. Struktur dan komponen sel surya DSCC

    2.15. Sifat Optik

    Sifat optis ZnO dipengaruhi oleh pita energi dan dinamika kisi. Sifat optik

    film tipis ZnO terletak diantara 1,9 eV sampai 2,8 eV dan dikenal sebagai green

    band. Sifat optis yang ingin diketahui dan dipelajari adalah absorbansi (A), transmitansi

    (T), dan energi gap film tipis ZnO. Sifat transparan yang dihasilkan berkaitan dengan

    kualitas film yang terbentuk dan dapat dipengaruhi oleh struktur kristal, ukuran

    bulir, dan pemilihan substrat Selain itu peningkatan transmitansi pada suhu yang

    lebih tinggi kemungkinan diakibatkan oleh hamburan optik yang disebabkan oleh

    pemadatan dan penumbuhan bulir partikel yang diiringi dengan berkurangnya

    kerapatan perbatasan bulir antar partikel yang terbentuk. Sehingga dapat diketahui

    untuk menghasilkan kualitas lapisan yang baik, dibutuhkan pemanasan pada

    temperatur yang cukup tinggi.

  • 30

    Koefisien absorbsi ZnO diperoleh dengan mengkaji karakteristik spektrum

    transmisi film tipis ZnO, dengan mengukur transmisi sebagai fungsi gelombang

    yang persamaannya sebagai berikut (Ilican, dkk, 2008).

    ( )2 = ( )

    dimana: = koefisien absorbsi

    h = konstanta Planck

    = frekuensi foton insiden

    A = konstanta

    Eopt = celah energi dari sampel

    n = 0.5 untuk transisi langsung,

    Material ZnO merupakan transisi langsung. Sehingga persamaan di atas dapat

    dituliskan kembali : ( )2 = ( )1/2 dan koefisien absorbsi () pada

    daerah UV dari film tipis ZnO dihitung dengan menggunakan persamaan:

    = ln

    dimana; x = absorbansi

    d = ketebalan film ZnO: = 12 .( 1

    1

    )

    = koefisien absorbsi optik.

    = indeks bias film (Hussein, 2011)

    dimana ;

    = 1 + ( )

    0.5

    1 ( )0.5

    Sehingga dapat diketahui nantinya nilai energi gap optik (Eg opt) dari sampel yang

    diukur.

    2.15.1. Mekanisme emisi

    Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya

    logam) ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya

    tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung

    pada jenis permukaan.

  • 31

    Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi

    cahaya. Dalam proses fotoemisi, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap

    energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada

    fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton

    terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar

    meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian

    meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkan energi setiap elektron

    yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada

    intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton

    individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar. Planck

    mendapatkan bahwa kuanta yang berpautan dengan frekuensi tertentu dari

    cahaya semuanya harus berenergi sama dimana energi ini E berbanding lurus

    dengan . Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

    = =

    dimana h adalah konstanta planck yang bernilai 6,626 1034 . .

    Spektrum absorbansi yang diperoleh dari sampel film tipis ZnO berdasarkan

    penelitian Hussein, F., 2011 ditunjukkan pada gambar 2.5 berikut:

    Gambar 2.8. Spektrum absorbansi film tipis ZnO ( Hussein, 2011)

  • 32

    Spektrum transmitansi UV-Vis yang diperoleh dari sampel film tipis ZnO

    berdasarkan penelitian Young-Sung Kim dan Weon-Pil Tai, 2005 ditunjukkan

    pada gambar 2.9 .

    Gambar 2.9. Transmitansi optik film tipis ZnO yang dipreparasi dengan metode

    sol gel dipcoating dengan pemanasan awal (preheating treatment)

    pada temperatur yang berbeda dengan pemanasan akhir 6500 C.

    (Young-Sung Kim dan Weon-Pil Tai, 2005).

    2.16. Spektrofotometer UV Vis

    Ultraviolet (UV) cahaya adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang

    gelombang lebih pendek daripada cahaya tampak, tetapi lebih lama dari x-ray,

    dalam kisaran 10 nm sampai 400 nm, dan energi dari 3 eV ke 124 eV. Dinamakan

    demikian karena spektrum terdiri dari gelombang elektromagnetik dengan

    frekuensi yang lebih tinggi daripada manusia mengidentifikasi sebagai warna

    ungu. Sebagai radiasi pengion dapat menyebabkan reaksi kimia, dan

    menyebabkan banyak zat bersinar atau fluoresen .dan merusak, terhadap

    kesehatan manusia. Spektrum optik (cahaya atau spektrum terlihat atau spektrum

    tampak) adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang tampak oleh mata

    manusia. Radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang ini disebut

    sebagai cahaya tampak. Tidak ada batasan yang tepat dari spektrum optic, mata

  • 33

    normal manusia akan dapat menerima panjang gelombang dari 400 sampai 700

    nm, meskipun beberapa orang dapat menerima panjang gelombang dari 380

    sampai 780 nm (atau dalam frekuensi 790-400 terahertz). Mata yang telah

    beradaptasi dengan cahaya biasanya memiliki sensitivitas maksimum di sekitar

    555 nm, di wilayah hijau dari spektrum optik. Radiasi elektromagnetik di luar

    jangkauan panjang gelombang optik, atau jendela transmisi lainnya, hampir

    seluruhnya diserap oleh atmosfer. Dikatakan jendela optik karena manusia tidak

    bisa menjangkau wilayah di luar spektrum optik. Inframerah terletak sedikit di

    luar jendela optik, namun tidak dapat dilihat oleh mata manusia.

    Spektrofotometer adalah alat untuk mengukur transmitansi atau absorban suatu

    sampel sebagai fungsi panjang gelombang. Spektrofotometri ini merupakan

    gabungan antara spektrofotometri UV dan Visible. menggunakan dua buah

    sumber cahaya berbeda, sumber cahaya UV dan sumber cahaya visible.

    Spektroskopi ultraviolet-visible atau spektrofotometri ultraviolet-visible (UV-Vis

    atau UV / Vis) melibatkan spektroskopi dari foton dalam daerah UV-terlihat. Ini

    berarti menggunakan cahaya dalam terlihat dan berdekatan (dekat ultraviolet (UV)

    dan dekat dengan inframerah (NIR) kisaran. Penyerapan dalam rentang yang

    terlihat secara langsung mempengaruhi warna bahan kimia yang terlibat. Di

    wilayah ini dari spektrum elektromagnetik, molekul mengalami transisi

    elektronik. Teknik ini melengkapi fluoresensi spektroskopi, di fluoresensi

    berkaitan dengan transisi dari ground state ke eksited state.

    Spektrofotometer UV-Vis mempunyai rentang pengukuran pada panjang

    gelombang 190-1100 nm. Gugusan atom yang mengabsorpsi radiasi UV-Vis

    adalah gugus kromofor. Ketika suatu molekul sederhana dikenakan radiasi

    elektromagnetik, molekul tersebut akan mengabsorbsi radiasi elektromagnetik

    yang energinya sesuai. Pada molekul terjadi transisi elektronik dan absorbsi

    tersebut menghasilkan garis spektrum.

    Radiasi UV-Vis atau sinar tampak hanya dapat diserap oleh larutan berwarna

    yaitu adanya gugus Kromosfer atau gugus warna dari solut dalam larutan.

    Absorbansi maksimum larutan warna tersebut terjadi pada daerah yang

    berlawanan atau bisa dikatakan warna yang diserap adalah warna komplementer

  • 34

    dari warna yang diamati. Pembagian warna dan panjang gelombang daerah UV =

    200 nm 350 nm, daerah visible 350- 700 nm.

    Spektrum UV maupun tampak terdiri dari pita absorbsi, lebar pada daerah

    panjang gelombang yang lebar. Ini disebabkan terbaginya keadaan dasar dan

    keadaan eksitasi sebuah molekul dalam subtingkat-subtingkat rotasi dan vibrasi.

    Transisi elektronik dapat terjadi dari subtingkat apa saja dari keadaan dasar ke

    subtingkat apa saja dari keadaan eksitasi.

    Dasar pemikiran metode penggunaan UV-Vis sederhana. Jika material disinari

    dengan gelombang elektromagnetik maka foton akan diserap oleh elektron dalam

    material. Setelah menyerap foton, elektron akan berusaha meloncat ke tingkat

    energi yang lebih tinggi. Jika elektron yang menyerap foton mula-mula berada

    pada puncak pita valensi maka tingkat energi terdekat yang dapat diloncati

    electron adalah dasar pita konduksi. Jarak kedua tingkat energi tersebut sama

    dengan lebar celah pita energi.

    Jika energi foton yang diberikan kurang dari lebar celah pita energi maka

    elektron tidak sanggup meloncat ke pita valensi. Elektron tetap berada pada pita

    valensi. Dalam keadaan ini dikatakan elektron tidak menyerap foton. Radiasi yang

    diberikan pada material diteruskan melewati material (transmisi). Elektron baru

    akan meloncat ke pita konduksi hanya jika energi foton yang diberikan lebih besar

    daripada lebar celah pita energi. Elektron menyerap energi foton tersebut. Dalam

    hal ini dikatakan terjadi absorpsi gelombang oleh material. Ketika kita mengubah-

    ubah frekuensi gelombang elektromagnetik yang dijatuhkan ke material maka

    energi gelombang dimana mulai terjadi penyerapan oleh material bersesuaian

    dengan lebar celah pita energi material. Lebar celah pita energi semikonduktor

    umumnya lebih dari 1 eV. Energi sebesar ini bersesuaian dengan panjang

    gelombang dari cahaya tampak ke ultraviolet. (Mikrajuddin, 2008).

    Di samping pita-pita spectrum visibel disebabkan terjadinya tumpang tindih

    energi elektronik dengan energi lainnya (translasi, rotasi, vibrasi) juga disebabkan

    ada faktor lain sebagai faktor lingkungan kimia yang diberikan oleh pelarut yang

    dipakai. Pelarut akan sangat berpengaruh mengurangi kebebasan transisi

  • 35

    elektronik pada molekul yang dikenakan radiasi elektromagnetik. Oleh karena itu,

    spektrum zat dalam keadaan uap akan memberikan pita spectrum yang sempit.

    Molekul-molekul yang memerlukan lebih banyak energi untuk promosi

    elektron akan menyerap cahaya pada panjang gelombang yang lebih pendek.

    Molekul yang menyerap energi lebih sedikit akan menyerap cahaya pada panjang

    gelombang yang lebih panjang. Senyawa yang menyerap caha dalam daerah

    tampak memiliki elektron yang lebih mudah dipromosikan daripada senyawa yang

    menyerap cahaya pada panjang gelombang UV yang lebih pendek.

    Spektrofotometer UV-Vis terdiri dari lima komponen pokok, yaitu :

    a. Sumber radiasi : lampu hidrogen, deuterium atau wolfram.

    Sebagai sumber cahaya pada spektrofotometer, haruslah memiliki pancaran

    radiasi yang stabil dan intensitasnya tinggi. Sumber energi cahaya yang biasa

    untuk daerah tampak, ultraviolet dekat, dan inframerah dekat adalah sebuah

    lampu pijar dengan kawat rambut terbuat dari wolfram (tungsten).

    b. Tempat sampel/kuvet : kuarsa, kaca atau plastik dengan panjang lintasan, b =

    1 cm. kuvet spektrofotometer adalah suatu alat yang digunakan sebagai tempat

    contoh atau cuplikan yang akan dianalisis.

    Cuvet harus memenuhi syarat- syarat sebagai berikut :

    1) Tidak berwarna sehingga dapat mentransmisikan semua cahaya.

    2) Permukaannya secara optis harus benar- benar sejajar, harus tahan (tidak

    bereaksi) terhadap bahan- bahan kimia.

    3) Tidak boleh rapuh.

    4) Mempunyai bentuk (desain) yang sederhana.

    c. Monokromator

    Monokromator adalah alat yang berfungsi untuk menguraikan cahaya

    polikromatis menjadi beberapa komponen panjang gelombang tertentu

    (monokromatis) yang bebeda (terdispersi).

    d. Detektor

    Peranan detektor penerima adalah memberikan respon terhadap cahaya pada

    berbagai panjang gelombang. Detektor akan mengubah cahaya menjadi sinyal

  • 36

    listrik yang selanjutnya akan ditampilkan oleh penampil data dalam bentuk

    jarum penunjuk atau angka digital.

    e. Rekorder (Sumio, 2010)

    Pada proses pemantulan dan pembiasan, cahaya dapat terpolarisasi

    sebagian atau seluruhnya oleh refleksi. Perbandingan intensitas cahaya yang

    dipantulkan dengan cahaya yang datang datang disebut reflektansi (R), sedangkan

    perbandingan intensitas cahaya yang ditransmisikan dengan cahaya datang disebut

    transmitansi (T).