Perpustakaan Digital ITB

Grafena multilapis (multilayer graphene/MLG) merupakan salah satu material karbon dua dimensi yang paling menjanjikan dalam pengembangan perangkat elektronik dan optoelektronik modern. Kombinasi sifat khasnya seperti transparansi optik yang tinggi, konduktivitas listrik yang kuat, mobilitas pembawa muatan yang besar, serta struktur pita energi yang unik, menjadikannya kandidat ideal untuk menggantikan material elektroda transparan konvensional (transparent conducting electrodes, TCEs) seperti transparent conductive oxide (TCO) dan indium tin oxide (ITO) dalam sel surya film tipis. Selain itu, kemampuan MLG untuk berfungsi sebagai lapisan jendela memperkuat potensinya dalam memperbaiki proses penyerapan cahaya dan transportasi muatan pada struktur fotovoltaik. Berbagai metode sintesis grafena, termasuk MLG telah dikembangkan, dengan CVD dan PECVD menjadi pendekatan dominan. Namun, sebagian besar teknik ini masih memerlukan suhu tinggi dan proses transfer MLG yang kompleks, sehingga meningkatkan biaya dan menurunkan kompatibilitas proses. Keterbatasan tersebut menjadi salah satu tantangan utama dalam realisasi MLG sebagai komponen elektroda transparan dalam sel surya skala besar. Pada saat yang sama, pemanfaatan silikon polikristalin sebagai material aktif menawarkan keseimbangan yang menarik antara efisiensi fotovoltaik dan biaya produksi dibandingkan silikon amorf atau silikon kristalin tunggal. Integrasi MLG dengan silikon polikristalin, terutama dalam konfigurasi p–i–n, menawarkan jalur pengembangan sel surya murah, efisien, dan kompatibel dengan proses suhu rendah. Penelitian ini mengkaji penumbuhan MLG pada suhu rendah menggunakan teknik Hot Wire Cell in Plasma Very High Frequency PECVD (HW IP–VHF–PECVD) pada frekuensi plasma 70 MHz. MLG ditumbuhkan secara in situ di atas katalis Ni dengan kondisi optimum: suhu sekitar 185 °C, tekanan 350 mTorr, laju alir CH4 15 sccm, dan daya plasma 30 W, yang menghasilkan MLG nanokristalin dengan jumlah lapisan 3–7, resistansi lembar ~35,6 ?/sq, dan transmitansi optik hingga ~82%. Kemudian, lapisan Si tipe–i ditumbuhkan pada suhu 185 °C dengan durasi optimumnya 75 menit, menghasilkan struktur mikrokristalin–polikristalin yang stabil, halus (Ra ~6–10 nm), dan memiliki sifat optik yang mendukung absorpsi cahaya yang efektif pada perangkat p–i–n. MLG yang telah dioptimasi kemudian diintegrasikan secara langsung ke dalam struktur perangkat sel surya p–i–n berbasis silikon polikristalin pada tiga jenis substrat: kaca (CG), kaca berlapis TCO, dan kaca berlapis ITO. Integrasi dilakukan tanpa proses transfer MLG, sehingga antarmuka MLG/Si tipe-p terbentuk secara bersih tanpa kontaminasi residu, yang umumnya ditemukan dalam metode transfer berbasis polimer. Pengujian karakteristik I–V menunjukkan bahwa MLG memberikan peningkatan performa yang konsisten pada seluruh perangkat. Pada substrat kaca Corning (CG), efisiensi meningkat dari 3,89 % (perangkat referensi) menjadi 6,10 % dengan MLG. Pada substrat CG+TCO, efisiensi meningkat dari 4,21 % menjadi 8,52 %. Peningkatan terbesar terjadi pada substrat CG+ITO, di mana efisiensi meningkat dari 4,44 % menjadi 8,95 %, dengan JSC mencapai 17,12 mA/cm² dan FF sebesar 58,09 %. Peningkatan VOC, JSC, dan FF pada seluruh substrat menunjukkan bahwa MLG berfungsi secara simultan sebagai TCE dan window layer, meningkatkan transparansi optik, homogenitas antarmuka, dan konduktivitas permukaan. Jika dibandingkan dengan penelitian MLG–Si sebelumnya, seperti sel Schottky grafena–Si (efisiensi 1–6%), graphene nanomeshes pada porous–Si (?7%), atau grafena pada struktur amorf dengan efisiensi <0,1%—maka capaian efisiensi 6–9% pada penelitian ini menempati posisi kompetitif dalam kategori penelitian MLG suhu rendah tanpa proses transfer. Keunggulan utama pendekatan HW IP–VHF– PECVD terletak pada kemampuannya menumbuhkan MLG dan seluruh lapisan silikon p–i–n secara berurutan dalam satu reaktor, pada suhu <300 °C, sehingga sepenuhnya kompatibel dengan teknologi sel surya film tipis generasi berikutnya. Kebaruan penelitian ini terletak pada integrasi MLG nanokristalin sebagai TCE sekaligus berfungsi sebagai window layer dalam sel surya p–i–n berbasis silikon polikristalin yang difabrikasi secara in situ menggunakan proses PECVD berfrekuensi sangat tinggi dan suhu rendah. Pendekatan ini menghilangkan keperluan proses transfer MLG, mengurangi kompleksitas fabrikasi, dan meningkatkan kualitas antarmuka. Temuan ini memberikan kontribusi ilmiah penting terhadap pengembangan elektroda transparan berbasis MLG serta mekanisme integrasinya dengan lapisan silikon polikristalin. Selain itu, penelitian ini membuka peluang bagi pemanfaatan MLG dalam teknologi fotovoltaik murah dan berkelanjutan.