Penelitian

Sel surya merupakan sebuah bidang penelitian yang sangat luas, melibatkan berbagai disiplin ilmu dan dana investasi maupun penelitian yang besar.

Tidak kurang dari 10 jenis sel surya tengah dikembangkan saat ini. Penerapan dari teknologi sel surya sendiri sangat luas sebagai salah satu sumber energi masa depan. Mulai dari pedesaan, perkotaan hingga luar angkasa, sel surya tengah diposisikan sebagai salah satu bentuk energi ideal masa depan yang bersih yang ketersediaannya berlangsung dalam jangka waktu yang relatif panjang. Sebagai contoh, International Space Station (ISS) sebagai stasiun dan laboratorium luar angkasa memiliki sel surya sebagai sumber energi utamanya, bisa dilihat di cuplikan gambar di atas.

Teknologi sel surya dapat dikatan menyangkup banyak hal; teori mengenai proses mekanisme bekerjanya sel surya, pembuatan dan pengamatan sifat-sifat material penyusun sel, pencarian material alternatif penyusun sel, integrasi material penyusun menjadi satu sel utuh, pembuatan alat (device) sel hingga modul surya, simulasi serta optimalisasi rangkaian listrik untuk sel surya dsb dsb. Masing-masing bidang ini membutuhkan spesialisasi khusus atau displin ilmu yang berbeda untuk mewujudkan tujuan utama penelitian dan pengembangan sel surya di dunia; yakni meningkatkan efisiensi sel surya. Gambar di bawah ini ialah peta jalan (road map) efisiensi sel surya dalam kurun waktu 25 tahunan.

Latar belakang ilmu dan rekayasa material (material science and engineering) memaksa saya untuk menekuni beberapa bidang dasar yang menunjang aktifitas penelitian sel surya; teknologi vakum (vacuum technology), teknologi lapis tipis (thin film technology), solid state physics and chemistry, semiconductor physics and devices dan sebagainya.

Bidang garapan penelitian saya sendiri ialah berkutat pada sintesis atau pembuatan material sel surya jenis lapis tipis (thin film solar cells) dengtan menggunakan jenis material tipe chalcopyrite CuInSe₂ dan turunannya CuInGaSe₂ sebagai bahan penyerap sinar matahari. Struktur kristal dan atom dari CuInSe₂ dapat dicermati di gambar berikut. Atom Indium (In) dapat diganti dengan atom Galium (Ga) membentuk CuInGaSe₂.

Menggunakan peralatan physical vapor deposition, lapisan penyerap sinar matahari ini dapat disintesa dengan ketebalan 1-2 micrometer. Saya menggunakan teknik sputtering (lihat skema di bawah berikut ini) untuk membuat lapisan CuInSe₂ pada substrat kaca degan ketebalan sekitar 1-2 mikron.

Aspek penelitiannya terkonsentrasi pada sintesa dan pengamatan sifat-sifat material lapis tipis yang berhasil dibuat; semisal analisa kristal struktur, analisa sifat optik dan elektrik. Perlu diketahui, lahan penelitian di bidang ini sudah menjadi sebuah hot topics di dunia sel surya.

Struktur sel surya lapis tipis CuInSe₂ dapat dicermati melalui skema di bawah ini.

Sel tersebut terdiri atas substrat kaca yang dilapisi berturut-turut lapisan Molibdenum (Mo) setebal 1 mikron sebagai elektroda bawah (kutub positif), lapisan CuInSe₂ setebal 1-2 mikron sebagai lapisan penyerap matahari (semikonduktor tipe p), lapisan CdS sebaagai lapisan buffer dengan ketebalan ~50 nanometer, lapisan ZnO (semikonducktor tipe n) sebagai lapisan transparans elektroda dengan ketebalan ~500 nanometer, dan sedikit lapisan Nikel sebagai elektroda atas (kutub negatif).

Lantas mengapa sel surya lapis tipis?

Well, hal ini dapat dimengerti mengingat semakin tipisnya material sel surya, maka semakin sedikit pula bahan baku yang dibutuhkan untuk membuat sebuah sel surya. Di samping itu, sel surya konvensional jenis silikon seperti yang sekarang ini dipasarkan memiliki keterbatasan suplai bahan baku silikonnya. Dan yang juga cukup penting dipertimbangkan ialah, dengan mempelajari jenis material baru bertipe CuInSe₂, potensi peningkatan sel surya merupakan sebuah keniscayaan. Secara proses produksi, pembuatan sel surya lapis tipis lebih singkat dan relatif tidak membutuhkan investasi sebesar sel surya silikon.

Melihat masih panjangnya penelitian sel surya jenis lapis tipis, CuInSe­₂ ini diproyeksikan untuk apliaksi sel surya masa depan.

Beberapa hasil penelitian dari laboratorium terkait dengan pembuatan/sintesa material penyerap sinar matahari dapat di lihat di bawah ini.

Original Paper

2005

Y.H. Jung, E.S. Lee, B. Munir, R.A. Wibowo, K.H. Kim,
Structure and Properties of Sputtered Indium Tin Oxide Thin Film
Journal of Korean Institute of Surface Engineering, 38 (2005) pp. 150-155
.
Kyoo Ho Kim, Young Hee Jung, Badrul Munir, Rachmat Adhi Wibowo,
Structure and properties of Indium-Tin Oxide Thin Films sputtered from different target densities,
Journal of Korean Institute of Surface Engineering, 38 (2005) pp. 179-182.

2006

Rachmat Adhi Wibowo, Badrul Munir, Kyoo Ho Kim,
Properties of Al-doped ZnO thin films sputtered from powder compacted target
Materials Letters 60 (2006) 1931-1935

2007

Badrul Munir, Rachmat A. Wibowo, Eunsoo Lee and Kyooho Kim
Growth of Cu(In_1-xAl_x)Se₂ Thin Films by Selenization of Sputtered Precursors
Solid State Phenomena 124-126 (2007) pp. 931-934

Rachmat Adhi Wibowo, Eun Soo Lee Badrul Munir, Kyoo Ho Kim,
Pulsed laser deposition of Cu₂ZnSnSe₄ thin films
Physica status solidi (a), 204 (2007) 3373-3379.

Rachmat Adhi Wibowo, Woo Seok Kim, Eun Soo Lee Badrul Munir, Kyoo Ho Kim,
Single step preparation of quaternary Cu₂ZnSnSe₄ thin films by RF magnetron sputtering from binary chalcogenide targets
Journal of Physics and Chemistry of Solids, 68 (2007) 1908-1913.

Badrul Munir, Rachmat A. Wibowo, Eunsoo Lee and Kyooho Kim,
One step deposition of Cu(In_1-xAl_x)Se₂ thin films by RF magnetron sputtering
Journal of Ceramics Processing Research 8 (2007) Accepted, In press

Rachmat Adhi Wibowo, Woo Seok Kim, Eun Soo Lee Badrul Munir, Kyoo Ho Kim
Growth and Properties of Stannite-Quaternary Cu₂ZnSnSe₄ Thin Films Prepared by Selenization of Sputtered Binary Compound Precursors
Advanced Materials Research 29-30 (2007) pp. 79-82.

2008

Kim Kyoo Ho, Rachmat Adhi Wibowo
Study on Indium-free and Indium-reduced thin film solar absorber materials for photovoltaic application
Journal of Korean Society for New and Renewable Energy, Vol. 3. No. 4, 2008, pp.54-62.

Conference paper

2005

R.A. Wibowo, B. Munir, Seop-Seung Oh, Do-Young Lee, Kyoo-Ho. Kim,
Effect of Al₂O₃ Concentration in Powder Compacted Target on Sputtered Al-doped ZnO Thin Films
15^th International Photovoltaic Science and Engineering Conference PVSEC, Shanghai - China, October, 10-15, 2005.

R.A. Wibowo, B. Munir, K.H. Kim,
Structural, Optical and Electrical Properties of Al-doped ZnO Thin Film Grown in Hydrogen-Incorporated Sputtering Gas
1^st Conference of Korea Society of New and Renewable Energy, KSNRE, Jeju Island, Korea, June 17-18, 2005.

2006

Rachmat Adhi Wibowo, Woo Seok Kim, Eun Soo Lee, Badrul Munir and Kyoo Ho Kim,
Preparation and Characterization of Quaternary Cu₂ZnSnSe₄ Thin Films by Pulsed Laser Deposition
The 2^nd Asia-Oceania Ceramic Federation (AOCF), Daegu, Korea, October 18-20, 2006.

Rachmat Adhi Wibowo, Woo Seok Kim, Eun Soo Lee, Badrul Munir and Kyoo Ho Kim,
Preparation of Stannite-Quaternary Cu₂ZnSnSe₄ Thin Films by RF Magnetron Sputtering
2006 Korea Institute of Metals and Materials Autumn Meeting, Jeju Island, Korea, October 26-27, 2006

Eun Soo Lee, Rachmat Adhi Wibowo, Badrul Munir and Kyoo Ho Kim,
Characteristics of Al-doped ZnO films grown in sputtering gas containing low hydrogen concentration
IUMRS-ICA-2006, September 10-14, 2006, Jeju, Korea

Badrul Munir, Rachmat Adhi Wibowo, Eun Soo Lee, and Kyoo Ho Kim,
Growth of Cu(In_1-xAl_x)Se₂ thin films by selenization of sputtered precursors
IUMRS-ICA-2006, September 10-14, 2006, Jeju, Korea

Rachmat Adhi Wibowo, Eun Soo Lee, Badrul Munir, Kyoo Ho Kim
Growth and Properties of Stannite-Quaternary Cu₂ZnSnSe₄ Thin Films Prepared by Selenization of Sputtered Binary Compound Precursors
4^th International Conference on Advanced Materials and Processing, December 10-13, 2006, Hamilton, New Zealand

2007

R.A. Wibowo, E.S Lee and K.H. Kim,
Quaternary Cu₂ZnSnSe₄ (CZTSe) thin films as a potential solar absorber for photovoltaic applications,
International Symposium on Nanovision Science and The 9^th Joint International Conference on Advance Science and Technology, Shizuoka University, Japan, January 23-24, 2007.

Badrul Munir, Rachmat Adhi Wibowo, and Kyoo Ho Kim,
Synthesis of Cu(In_0.75Al_0.25)Se₂ thin films from binary selenides powder compacted targets by sputtering and selenization
The 8th International Symposium on Nanocomposiyes and Nanoporous Materials
February 22-24, 2007, Jeju, Korea

Rachmat Adhi Wibowo, Pyo Joon Kook, Kyoo Ho Kim,
Sputtering Deposition of CuInSe₂ and CuInZnSe₂ Thin Films using Mixture Binary Chalcogenide Powders,
3^rd Conference of Korea Society of New and Renewable Energy, KSNRE, Jeju Island, Korea, June 21-22, 2007.

Rachmat Adhi Wibowo, Kyoo Ho Kim
Characterization of sputtered CuInZnSe₂ thin films from binary selenides powder compacted targets
17^th int’l Vacuum Congress and 13^th Int’l Conference on Surface Science, July 2-7, 2007, Stockholm , Sweden.

Rachmat Adhi Wibowo, Kyoo Ho Kim,
Study on Indium-reduced and Indium-free solar absorber materials for photovoltaic application,
4^rd Conference of Korea Society of New and Renewable Energy, KSNRE, Busan, Korea, November 6-7, 2007.

Rachmat Adhi Wibowo, Kyoo Ho Kim,
Band gap engineering of RF sputtered CuInZnSe₂ thin films for Indium-reduced thin film solar cell application, 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-17), Fukuoka, Japan, December 2-7, 2007.

Rachmat Adhi Wibowo, Kyoo Ho Kim,
Stoichiometric control of stannite-quaternary Cu₂ZnSnSe₄ thin films by sputtering method, 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-17), Fukuoka, Japan, December 2-7, 2007.