BAB I PENDAHULUAN 1.1 PENGENALAN

Transcript

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 PENGENALAN Pengalir lutsinar oksida (PLO) telah mendapat perhatian yang meluas dalam bidang optoelektronik lutsinar. Kini, pencarian terhadap penyelidikan pengalir lutsinar oksida jenis-p masih aktif sejak ia digunakan dalam bidang optoelektronik. Walaupun terdapat banyak PLO jenis-n, (contohnya didop ZnO) kekurangan PLO jenis-p yang telah diketahui oleh kebanyakan penyelidik dalam bidang optoelektronik lutsinar telah menyebabkan perkembangan fabrikasi semikonduktor lutsinar terbantut. Antara bahan PLO yang mendapat perhatian kini adalah oksida berasaskan kuprus oksida (Cu 2 O) yang merupakan bahan yang dikaji dalam penyelidikan ini. Kuprus oksida telah dikaji sebagai bahan semikonduktor kerana secara semulajadi ia boleh diperoleh dengan banyak (garam kuprum), kos proses penghasilan adalah rendah, garam kuprum secara relatifnya lebih murah dan Cu 2 O adalah oksida yang tidak toksik dan mempunyai sifat elektrik dan optik yang baik (Rakshani 1986). Melalui teknik pemprosesan yang betul, Cu 2 O mempunyai potensi dalam penggunaan fotovoltaik dan sensor kelembapan. Pengkelasan lain kuprum oksida adalah kuprik oksida (CuO) dan kedua-dua kuprik dan kuprus oksida merupakan dua fasa utama semikonduktor kuprum oksida dengan jalur tenaga yang sempit. Gan et al. (2004) telah melaporkan struktur hablur bagi Cu 2 O adalah kubus dan mempunyai jalur tenaga langsung 2.2 ev, sementara CuO mempunyai struktur monoklinik dan jalur tenaga tak langsung ev. Lu et al. (2005) telah melaporkan Cu 2 O merupakan bahan yang baik untuk aplikasi fotovoltaik malah beberapa kajian terdahulu menunjukkan

2 2 Cu 2 O boleh dijadikan sel suria yang mudah (Ghosh et al. 2000; Mahalingam et al. 2004; Wijesundera et al. 2006). Filem nipis Cu 2 O adalah sesuai untuk aplikasi fotovoltaik (FV), fotoelektrokimia, fotohaba dan sensor gas. Cu 2 O merupakan salah satu bahan pertama yang diketahui boleh memaparkan kesan fotoelektrik, di mana cahaya boleh menyebabkan elektrik mengalir dalam bahan. Filem Cu 2 O didapati mempunyai kelutsinaran yang tinggi, dengan warna sedikit kekuningan dan sering menyerap gelombang pada julat panjang gelombang bawah 600 nm, sementara CuO yang berwarna hitam menyerap dengan banyak pada keseluruhan spektrum tampak. Sel fotovoltaik (FV) merupakan alat untuk menukar cahaya matahari kepada elektrik, melalui kitar termodinamik dan janakuasa mekanikal. FV mewakili foto (cahaya) dan voltaik (elektrik), yang mana foton suria membebas elektron dari silikon. Di samping filem nipis Cu 2 O, filem nipis titanum oksida (TiO 2 ) juga sesuai untuk fotovoltaik tetapi TiO 2 mempunyai kecekapan yang terlalu rendah dan kos untuk penghasilan adalah tinggi berbanding dengan Cu 2 O yang kos jauh lebih rendah. 1.2 PERMASALAHAN KAJIAN Beberapa teknik telah digunakan untuk menghasilkan filem nipis Cu 2 O seperti elektro-pemendakan, pengoksidaan terma, penyemburan, sol-gel dan pengendapan kimia wap, proses poliol mudah. Mahalingam et al. (2000) telah melaporkan beberapa parameter yang optimum bagi penghasilan filem nipis Cu 2 O berfasa tunggal mengggunakan kaedah elektro-pemendapan. Kaedah elektro-pemendapan ini memerlukan peralatan khusus berbanding kaedah sol-gel yang tidak memerlukan peralatan yang kompleks. Roos et al. (1983) dan Musa et al. (1998) telah melaporkan pengoksidaan kuprum pada julat suhu sepuh lindap 200 C hingga 1050 C untuk menghasilkan filem nipis Cu 2 O. Filem nipis Cu 2 O berfasa tunggal terhasil pada suhu sepuh lindap 1050 C (Musa et al. 1998). Kaedah pengoksidaan terma ini memerlukan suhu yang tinggi dan masa pengoksidaan yang lama dan kos penghasilan juga tinggi berbanding kaedah sol-gel ini yang tidak memerlukan suhu dan masa penyepuh lindapan yang tinggi. Selain itu, filem nipis Cu 2 O boleh dihasilkan melalui kaedah percikan reaktif (Ogwu et al. 2005a; Ogwu et al. 2005b; Yin et al. 2005; Zhu et al.

3 3 (2009). Kaedah ini memerlukan peralatan khusus seperti atmosfera argon/oksigen dengan kuasa arus terus yang tertentu. Selain itu, ia memerlukan kawalan tekanan dan aliran gas yang sesuai untuk menghasilkan filem Cu 2 O yang berfasa tunggal. Markworth et al. (2001), Maruyama (1998) dan Jeong dan Aydil (2009) melaporkan penggunaan kaedah pemendapan wap kimia dalam penghasilan filem nipis Cu 2 O. Kaedah ini jauh berbeza dengan kaedah sol-gel yang mana filem terbentuk melalui kaedah pengendapan wap yang memerlukan kawalan tekanan di dalam kebuk. Dalam kajian ini, kaedah sol-gel salutan putaran dipilih untuk penyediaan filem nipis Cu 2 O adalah kerana kaedah ini mudah dikendalikan, kos penyediaan secara relatifnya lebih murah dan tidak memerlukan peralatan yang kompleks. Proses penyalutan bagi kaedah sol-gel terbahagi kepada dua iaitu penyalutan berputar dan penyalutan celup. Armelao et al. (2003) telah melaporkan kaedah penyalutan celup sol-gel untuk penyediaan filem nipis menggunakan kuprum(ii) asetat yang dilarutkan di dalam larutan etanol. Filem nipis yang terhasil disepuh lindap dalam atmosfera yang berbeza. Penghasilan Cu 2 O berfasa tunggal adalah pada suhu sepuh lindap 900 C selama 5 jam di dalam atmosfera nitrogen. Ray (2001) juga telah menggunakan kaedah penyalutan celup sol-gel bagi penghasilan filem nipis Cu 2 O. Bahan pemula yang digunakan ialah kuprik klorida yang dilarutkan di dalam larutan metanol. Suhu sepuh lindap yang digunakan adalah berbeza dan atmosfera sepuh lindap adalah udara biasa. Filem nipis Cu 2 O berfasa tunggal dihasilkan pada suhu sepuh lindap 360 C dan apabila suhu sepuh lindap ditingkatkan kepada 400 C, filem nipis CuO terhasil. Ini adalah kerana pada suhu sepuh lindap yang tinggi, HCl dan O 2 terbebas dan telah mengubah fasa tunggal Cu 2 O kepada CuO. Oral et al. (2004) telah menggunakan kaedah penyalutan berputar sol-gel dengan dua jenis agen kebolehbasahan yang berbeza seperti polietilina glikol (PEG) dan etilina glikol (EG). Bahan pemula yang digunakan ialah kuprum(ii) asetat dilarutkan di dalam larutan isopropil alkohol. Filem nipis ini disepuh lindap pada suhu 600 C dalam atmosfera biasa dan hasilnya ialah filem nipis CuO (tenorit) berfasa tunggal. Dalam kebanyakan kajian ini, amnya terdapat campuran Cu 2 O dan CuO. Akhavan et al. (2009) menggunakan kaedah penyalutan celup untuk menghasilkan filem nipis Cu 2 O bersaiz nanopartikel di atas substrat silika. Pada suhu sepuh lindap yang rendah (220 C) dalam atmosfera nitrogen, wujud Cu 2 O berfasa tunggal. Jadi, masalah utama adalah

4 4 untuk mendapatkan parameter tindak balas yang spesifik bagi menghasilkan fasa tunggal Cu 2 O yang tulen. Parameter yang harus dikaji adalah suhu sepuh lindap yang sesuai, atmosfera sepuh lindap filem nipis dan pemilihan bahan pemula dan juga bahan tambahan yang sesuai bagi menghasilkan larutan sol-gel yang sesuai untuk penyediaan filem. 1.3 OBJEKTIF KAJIAN Di dalam penyelidikan ini, bahan Cu 2 O dalam bentuk filem dikaji untuk digunapakai dalam sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit kerana berupaya menunjukkan kesan fotoelektrik, mempunyai jurang jalur tenaga yang lebar dan sifat lutsinar yang tinggi. Kajian ini memilih untuk mengkaji filem nipis Cu 2 O untuk kegunaan dalam sel fotoelektrokimia bagi mengatasi masalah yang dihadapi oleh sel fotoelektrokimia yang menggunakan elektrolit cecair dan elektrod negatif platinum. Substrat kaca tersalut indium timah oksida (ITO) dipilih kerana ia bertindak sebagai elektrod positif, elektrolit pepejal polimer poli(vinilklorida)-litium perklorat (PVC- LiClO 4 ) sebagai ionik konduktor dan grafit sebagai elektrod negatif. Kajian ini adalah berdasarkan penyediaan dan pencirian filem nipis melalui proses penyalutan berputar sol-gel dan fabrikasi sel fotoelektrokimia menggunakan filem nipis Cu 2 O. Objektif kajian ini adalah untuk: 1. untuk menyediakan filem nipis Cu 2 O melalui kaedah penyalutan berputar sol-gel dengan menggunakan kuprum (II) asetat sebagai bahan utama bagi menentukan parameter suhu sepuh lindasp yang optimum supaya hanya Cu 2 O yang terhasil tanpa kehadiran fasa lain seperti CuO. 2. Untuk menentukan kesan bahan tambahan etilena glikol (EG) dan polietilena glikol (PEG) terhadap filem yang terbentuk dari segi struktur filem, morfologi dan sifat optik filem Cu 2 O yang terhasil. 3. untuk menentukan sifat optik dan mikrostruktur filem nipis Cu 2 O di atas substrat indium timah oksida (ITO) pada suhu sepuh lindap dan kadar putaran yang berbeza.

5 5 4. untuk memfabrikasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit dan mengkaji prestasi peranti tersebut. 1.4 ORGANISASI PENULISAN Tesis ini dibahagikan kepada lima bab utama. Bab I membincangkan permasalahan dalam kajian, perkembangan terkini Cu 2 O dan objektif kajian. Bab II membincangkan teori latar belakang kajian seperti sifat-sifat filem nipis Cu 2 O, kaedah yang telah digunakan untuk penghasilan filem nipis Cu 2 O, sifat fotovoltan sel fotoelektrokimia, latar belakang lapisan sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit dan juga kajian mengenai prestasi peranti ini. Bab III pula membincangkan kaedah penyediaan dan pencirian filem nipis Cu 2 O dengan mengawal beberapa parameter bagi menghasilkan fasa tunggal filem nipis Cu 2 O serta penyediaan elektrolit polimer pepejal PVC-LiClO 4 dan juga penyediaan filem grafit. Selain itu, dalam bahagian ini juga membincangkan pembangunan dan kajian prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit di dalam keadaan gelap dan di bawah pencahayaan. Bab IV membincangkan hasil pencirian filem nipis Cu 2 O pada suhu penyepuh lindap yang berbeza dan juga kesan halaju putaran yang mempengaruhi filem nipis Cu 2 O semasa proses penyalutan berputar. Di dalam bahagian ini juga membincangkan prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit di dalam gelap dan di bawah pencahayaan. Bab V membincangkan kesimpulan, rumusan utama dan juga cadangan untuk kajian pada masa akan datang bagi menghasilkan filem nipis Cu 2 O yang mempunyai sifat fizikal dan elektrik yang lebih baik serta kajian bagi meningkatkan prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit.

6 6 BAB II KAJIAN KEPUSTAKAAN 2.1 OKSIDA SEMIKONDUKTOR Sebilangan sebatian oksida diklasifikasikan sebagai semikonduktor oksida, seperti zink oksida, indium oksida, timah oksida, kuprum oksida dan sebagainya. Oksida jenis ini mempunyai keupayaan mengalirkan arus elektrik apabila elektron teruja dari jalur valensi ke jalur konduksi dan jumlah kekonduksian boleh diubah. Silikon digunakan secara meluas sebagai bahan semikonduktor kerana ia mudah diperoleh. Silikon boleh diekstrak daripada pasir, SiO 2. Ia mempunyai jurang tenaga yang besar dan mudah didop untuk membentuk semikonduktor ekstrinsik. Bahan semikonduktor dikaji sejak awal 1800s dan difabrikasi dalam pelbagai peranti elektronik seperti diod, transistor, pemuat dan peranti optoelektronik seperti sel suria, laser dan fotopengesan. Sifat semikonduktor peranti optoelektronik adalah ketelusan yang tinggi, fotokepekaan yang kuat dan beberapa sifat yang unik. Kuprum oksida diminati secara meluas kerana kegunaannya dalam teknologi sel suria kos rendah. Selain daripada kos rendah, sifat lain yang unik ialah ia tidak toksik, secara teorinya kecekapan sel suria sebanyak 18%, Cu mudah didapati dan mudah membentuk lapisan kuprum oksida (Olsen ). Kuprum oksida wujud dalam dua bentuk oksida iaitu; kuprus oksida atau kuprit (Cu 2 O) dan kuprik oksida atau tenorit (CuO) (Richthofen et al. 1997). Cu 2 O merupakan salah satu bahan semikonduktor yang menarik minat para ahli fizik keadaan pepejal. Kepentingan Cu 2 O dikaji semula semasa pertengahan 1970 dalam industri fotovoltan. Sesetengah penyelidik memberi perhatian kepada Cu 2 O secara

7 7 umum dan sel suria Cu 2 O secara khusus. Cu 2 O tetap menjadi bahan alternatif yang menarik berbanding silikon dan bahan semikonduktor yang lain kerana kos fabrikasi sel suria adalah murah. Cu 2 O merupakan salah satu semikonduktor oksida yang dikaji secara meluas kerana kegunaannya dalam fotokatalis untuk pemisahan air dibawah sinaran cahaya nampak (Hara et al. 1998), peranti elektrokromik (Richardson et al. 2000), sel fotoelektrokimia (Mahalingam et al. 2006; Smith et al. 1995; Yoon et al. 2000), sel suria (Siripala et al. 2003), katalisis (Yang et al. 2006) dan sensor gas (Shishiyanu et al. 2006). 2.2 FILEM Cu 2 O Pengalir lutsinar oksida (PLO) telah menarik perhatian para penyelidik terutama kuprus oksida (Cu 2 O). Cu 2 O menjadi pilihan dalam kajian ini sebagai elektrod kerja untuk memfabrikasi sel suria (Olsen ). Selain daripada filem nipis, Cu 2 O juga boleh dihasilkan dalam bentuk serbuk (Zhang et al. 2006; Zhang et al. 2007). Filem nipis Cu 2 O juga boleh diendapkan ke atas substrat lain seperti wafer Si (Chen et al. 2009; Liu et al. 2005), slaid kaca (Reddy et al. 2006), slaid silika Herasil (Armelao et al. 2003), substrat Cu (Mahalingam et al. 2000), substrat kaca disaluti indium timah oksida (ITO) (Garuthara dan Siripala 2006; Sun et al. 2008), substrat kaca disaluti florin timah oksida (FTO) (Neskovska et al. 2007), substrat kaca fiber (Ramirez-Ortiz et al. 2001), substrat filem TiO 2 ( Tang et al. 2005), chitosan bersaiz nanopartikel (Chen et al. 2007), substrat titanium nitrogen (TiN) (Yang et al. 2008a), substrat SrTiO 3 (STO) (Yu et al. 2007) dan substrat MgO (Brazdeikis et al. 1996). Filem Cu 2 O boleh dienapkan ke atas substrat dengan pelbagai kaedah penyediaan seperti pengoksidaan haba (Musa et al. 1998), elektroenapan (Mahalingam et al. 2004; Sebastian et al. 2000; Sun et al. 2007; Wijesundera et al. 2006), enapan kimia (Nair et al. 1999; Serin et al. 2005), proses percikan ( Akimoto et al. 2006; Ghosh et al. 2000; Ogwu et al. 2005a; Ogwu et al. 2005b), kimia basah (Qu et al. 2008), penyejatan reaktif (Balamurugan dan Mehta 2001) dan sol-gel (Armelao et al. 2003; Ray 2001).

8 8 Cu 2 O adalah satu bahan semikonduktor tak organik jenis-p (Santra et al. 1992) dan sifat-sifat asasnya ditunjukkan dalam Jadual 2.1. Penghabluran CuO adalah dalam struktur monoklinik dengan parameter kekisi a = Å, b = Å, c = Å and b = (Ohya et al. 2000). Cu 2 O dengan jurang tenaga 2.1 ev terhasil apabila disepuh lindap pada suhu 360 ºC dalam udara biasa dan pada suhu tinggi melebihi 400 ºC, Cu 2 O akan berubah kepada fasa CuO (Ray 2001). Jurang tenaga juga berkait rapat dengan ketebalan filem. Filem dengan ketebalan 700 Å mempunyai jurang tenaga yang rendah (2.05 ev) berbanding filem yang nipis (250 Å) dengan jurang tenaga yang tinggi iaitu 2.4 ev (Ogwu et al. 2005b). Filem nipis Cu 2 O boleh dihasilkan dalam pelbagai bentuk butiran bergantung kepada kaedah penghasilan seperti nanokepingan (Luo et al. 2009), nano-kubik (Gou dan Murphy 2004; Zahmakiran et al. 2009; Zhang et al. 2008), nano-sfera (Huang et al. 2008), nano-sesungut ( Qu et al. 2008), nano-wayar (Daltin et al. 2005; Sharma dan Bhatti 2008) dan nano-tiub (Luo et al. 2005). Penghasilan bahan bersaiz mikro dan nano memberi peluang yang baru untuk meneroka sifat-sifat bahan fizik dan kimia kerana struktur elektronik, ikatan, tenaga permukaan dan kereaktifan kimia berkait rapat dengan morfologi permukaan (Zhu et al. 2008). 2.3 SIFAT FILEM NIPIS Cu 2 O Setiap bahan yang dihasilkan mempunyai sifat optik, elektrik, mikrostruktur dan morfologi bergantung kepada kaedah penghasilannya. Parameter penyediaan mempengaruhi sifat-sifat filem yang terhasil. Sejak 1916, kegunaan Cu 2 O dalam industri transistor telah dikaji sebelum hadirnya penggunaan silikon. Selepas itu, sifatsifat filem Cu 2 O telah dikaji. Angello (1942) mengkaji kesan Hall dan kekonduksian Cu 2 O dengan suhu. Weichman (1960) mendapati foto-kekonduksian melawan jarak gelombang bagi Cu 2 O dipengaruhi oleh kandungan oksigen bahan. Selain itu, Heletemes (1965) mengkaji sifat cahaya inframerah filem Cu 2 O. Pemancaran dan pemantulan cahaya dicerap pada jarak gelombang nm. Nilai maksimum nilai pekali pengujaan adalah 2.7 dan 4.0 masing-masing berpadanan dengan frekuensi getaran 613 cm -1 dan 1460 cm -1. Jadual 2.1 menyenaraikan beberapa sifat asas filem Cu 2 O. Ia juga mempunyai pekali penyerapan yang tinggi dalam cahaya nampak (350

9 9 800 nm) dan mempunyai sifat elektrik yang baik (Olsen , Pastrnak 1959, Rakshani 1986). Jadual 2.1 Sifat-sifat asas filem nipis Cu 2 O Jurang tenaga 2.0 ev (terus) Elektron affiniti 3.2 ev Struktur kristal Kubus Pemalar kekisi 4.27 Å Takat lebur 1235 C Ketumpatan 6.0 gcm -3 Pekali pengembangan terma 3.5 x 10-6 C -1 Jenis kekonduksian Jenis-p Kerintangan Ωcm Ωcm Kelincahan lohong 100 cmv -1 S -1 Penyerapan optik 0.63 µm Pekali penyerapan 10 4 cm -1 Sifat bahan semikonduktor Cu 2 O adalah peka terhadap cahaya berdasarkan kesan fotoelektrik. Apabila gelombang elektro-magnet yang berfrekuensi tinggi jatuh pada satu permukaan logam, akan terhasil satu elektron daripada permukaan logam itu. Berdasarkan teori kuantum, gelombang elektro-magnet telah memberikan tenaga kepada elektron, membolehkan ia melepaskan diri dari logam itu. Foton (cahaya boleh nampak) memberi tenaga kepada elektron di dalam jalur valensi yang mana mempunyai tenaga yang cukup untuk sampai ke jalur konduksi. Tenaga ini adalah jurang tenaga, E g seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.1 (Appleyard 2006). Sifat optik seperti pancaran dan penyerapan filem nipis Cu 2 O dikira pada jarak gelombang nm menggunakan spektroskopi ultraungu-cahaya boleh nampak. Pekali penyerapan, α didapati daripada pencirian pancaran optik berdasarkan persamaan (Sunds 1955)

10 ln (2.1) d T dengan d = ketebalan filem T = kepancaran cahaya Hubungan pekali penyerapan (α) dengan jurang tenaga terus (E g ) diberi oleh hubungan Tauc 1 h A hv 2 (2.2) E g dengan h = pemalar Planck (6.63 x m 2 kg/s) v = frekuensi foton E g = jurang tenaga optik Nilai E g diperolehi pada graf (αhν) 2 pada paksi-y dan tenaga foton (hv) pada paksi-x. Nilai E g diberikan oleh hubungan E g hv, apabila hv 2 0 (Ray 2001). Beberapa tahun yang lalu, Cu 2 O dihasilkan dengan pelbagai morfologi yang berbeza seperti nano-wayar (Wang et al. 2003), nano-hablur sesungut (Yu et al. 2004), nano-tiub/nano-rod (Cao et al. 2003), nano-sfera (Zhang et al. 2006) dan nanozarah (Yin et al. 2005). Penghasilan morfologi yang berbagai bentuk adalah bergantung kepada bahan tambahan yang digunakan dan juga atmosfera tindak balas. Wang et al. (2003) menghasilkan nano-wayar Cu 2 O menggunakan Cu(OH) 2 dan diameter wayar yang dihasilkan sekitar 10 nm. Cao et al. (2003) melaporkan dalam kehadiran cetilmetilammonium bromida (CTAB), morfologi filem Cu 2 O yang terhasil berbentuk nano-tiub dan nano-rod. Qu et al. (2008) melaporkan kaedah baru untuk menghasilkan nano-hablur sesungut dengan menggunakan polietilina glikol (PEG, M w = 2000) sebagai surfaktan dan hidrazin sebagai agen penurunan. Daripada spektrum ultraungu nampak, ia menunjukkan anjakan biru nyata dan jurang tenaga sekitar 2.45 ev.

11 11 Jalur konduksi Jurang tenaga, E g Jalur valensi (a) Foton Jalur konduksi Elektron Jalur valensi (b) Rajah 2.1 (a) Jalur tenaga bagi bahan semikonduktor, (b) kesan fotoelektrik 2.4 KAEDAH PENGHASILAN FILEM NIPIS Cu 2 O Beberapa kaedah telah digunakan untuk menghasilkan filem nipis Cu 2 O seperti pengoksidaan terma, proses sol-gel, elektroenapan, percikan reaktif, kaedah kimia basah dan banyak lagi. Jadual 2.2 menyenaraikan kaedah penghasilan filem nipis Cu 2 O berserta para penyelidik. Setiap kaedah yang digunakan memberikan hasil yang berbeza dengan parameter yang optimum bagi menghasilkan filem nipis Cu 2 O yang berfasa tunggal. Penghasilan filem nipis Cu 2 O bersama CuO juga boleh terhasil jika parameter penyediaan tidak dikawal dengan baik. Bagi menghasilkan filem yang berfasa tunggal adalah bukan mudah kerana memerlukan pengawalan secara terperinci dari pelbagai aspek seperti suhu dan persekitaran sepuh lindap, ph, kepekatan larutan dan juga bahan tambahan yang digunakan.

12 12 Jadual 2.2 Senarai kaedah-kaedah berserta para penyelidik yang terlibat dalam penghasilan filem nipis Cu 2 O Kaedah-kaedah Penyelidik penghasilan Pemendapan wap Maruyama (1998), Ramirez-Ortiz et al. (2001), Wang et al. kimia (2003) Elektroenapan Bijani et al. (2007), Georgieva dan Ristov (2002), Han dan Tao (2009), Lee et al. (2007), Mahalingam et al. (2000, 2004, 2005, 2006), Neskovska et al. (2007), Sebastian et al. (2000), Smith et al. (1995), Sun et al. (2007, 2008), Tang et al. (2005, 2008), Wijesundera et al. (2006), Yoon et al. (2000) Percikan reaktif Akimoto et al. (2006), Balamurugan dan Mehta (2001), Chandra et al. (1999), Ghosh et al. (2000), Han et al. (2008), Lu et al. (2005), Miyata et al. (2006), Ogwu et al. (2005a), Ogwu et al. (2005b), Reddy et al. (2008), Taneja et al. (2001) Pengoksidaan terma Musa et al. (1998), O Reilly et al. (1995), Onimisi (2008), Zhou & Yang (2003) Kimia basah Eya et al. (2005), Fernando et al. (2002), Huang et al. (2008, 2009), Liu et al. (2009), Luo et al. (2009), Nikesh et al. (2005), Prakash et al. (2007), Qu et al. (2008), Serin et al. (2005), Yang et al. (2006), Zhan dan Cui (2008), Zhang et al. (2007), Zhu et al. (2008) Sol-gel Armelao et al. (2003), Oral et al. (2004), Ray (2001) Kaedah Sol-Gel Proses sol-gel dikenali juga sebagai teknik kimia basah dan digunakan secara meluas dalam bidang sains bahan dan kejuruteraan seramik. Dalam proses ini, sol (larutan) terhasil perlahan-lahan membentuk rangkaian seperti gel yang mengandungi fasa cecair dan fasa pepejal. Ini melibatkan perubahan satu sistem daripada cecair sol kepada pepejal gel. Penerokaan kaedah sol-gel berbanding kaedah lain adalah kerana filem yang terhasil mempunyai ketulenan yang tinggi, homogen tanpa menggunakan peralatan yang mahal dan tidak merumitkan di samping suhu yang digunakan adalah

13 13 rendah dan tidak memerlukan ruang yang luas (Zhang et al. 2004). Kaedah sol-gel ini terbahagi kepada dua jenis penyalutan untuk menukarkan gel ke bentuk filem nipis iaitu penyalutan berputar sol-gel dan penyalutan celup sol gel. Kaedah penyalutan celup merupakan teknik enapan filem daripada cecair pemula yang banyak digunakan dalam industri mikroelektronik. Dalam bidang filem nipis sol-gel, komposisi dan struktur polimolekul keadaan sol dikawal oleh keadaan penyepuh lindap manakala keadaan enapan mempengaruhi ketebalan filem, mikrostruktur dan sifat lain. Armelao et al. (2003) dan Ray (2001) telah melaporkan penyelidikan filem nipis Cu 2 O menggunakan kaedah penyalutan celup sol-gel. Penyelidikan menggunakan kaedah penyalutan berputar sol-gel adalah belum meluas. Armelao et al. (2003) menggunakan kaedah penyalutan celup sol-gel untuk mensintesis filem nipis kuprum oksida yang bersifat nanofasa. Kuprum(II) asetat monohidrat digunakan sebagai bahan pemula di dalam larutan etanol yang bertindak sebagai pelarut. Bagi bahan pemula yang sama, pelarut gliserol juga boleh digunakan. Kuprum(II) asetat monohidrat dipilih sebagai bahan pemula kerana hidrolisis kumpulan asetat adalah mudah larut dalam pelarut dan mudah terurai kepada sebatian meruap di bawah suhu sepuh lindap. Penyediaan larutan sol-gel adalah dengan melarutkan kuprum asetat monohidrat dilarutkan di dalam etanol dan dikacau dengan pengacau magnet sekurang-kurangnya 1 jam sebelum filem dimendapkan. Fasa tunggal Cu 2 O dihasilkan pada suhu sepuh lindap 900 ºC selama lima jam dalam atmosfera nitrogen dan pada suhu sepuh lindap 500 ºC selama satu jam dalam atmosfera hidrogen. Filem Cu 2 O yang terhasil bersifat nano-struktur dengan purata saiz hablur sekitar 20 nm. Penyepuh lindapan pada suhu yang tinggi (900 ºC) akan menghasilkan campuran fasa CuO dan Cu 2 O kerana berlaku proses pengoksidaan dalam atmosfera biasa. Walau bagaimanapun, penghasilan Cu 2 O berfasa tunggal boleh terjadi apabila atmosfera penurunan digunakan proses penyepuh lindapan filem. Ray (2001) telah melaporkan penghasilan Cu 2 O berfasa tunggal menggunakan kaedah penyalutan celup dan suhu penyepuh lindapan yang rendah iaitu 250 ºC. Proses penyalutan celup dilakukan pada kelajuan 1.33 mm/s di dalam suhu bilik. Pada suhu sepuh lindap yang rendah, kuprik klorida terhidrolisis dan bertindak balas

14 14 dengan substrat yang panas dalam atmosfera biasa dan membentuk filem nipis berdasarkan tindak balas 2.3 dan 2.4. Dalam tindak balas ini, HCl dan O 2 dibebaskan pada suhu sepuh lindap yang tinggi dan fasa CuO terhasil. Berlaku lebihan pengoksidaan pada suhu yang tinggi dalam atmosfera biasa menyebabkan fasa Cu 2 O berubah kepada fasa CuO. 360 ºC 4CuCl 2 + 4H 2 O 2Cu 2 O + HCl + O 2 (2.3) 400 ºC 500 ºC CuCl 2 + H 2 O CuO + HCl (2.4) Kaedah penyalutan berputar merupakan satu proses mudah untuk menyalut filem nipis ke atas substrat seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.2. Substrat diletak di tengah-tengah pemegang substrat yang mempunyai lubang udara untuk vakum bagi mengelakkan substrat jatuh. Setelah itu, laturan sol dititiskan ke atas substrat dan tindakan putaran menyebabkan larutan tersebar keluar dari substrat dan menghasilkan satu lapisan atau filem nipis. Lapisan atau filem nipis mempunyai saling kait dengan kelajuan putaran yang digunakan. Ketebalan filem berkurang dengan peningkatan kelajuan putaran seperti yang ditunjukkan oleh graf di dalam Rajah 2.2. Dalam penyediaan filem nipis Cu 2 O, tidak ramai penyelidik yang menggunakan kaedah penyalutan berputar. Oral et al. (2004) dan Brookshier et al. (1999) telah melaporkan penghasilan CuO melalui kaedah penyalutan berputar. Brookshier et al. (1999) telah mengkaji saiz partikel CuO di atas substrat SiO 2 manakala Oral et al. (2004) menghasilkan filem nipis CuO dengan menggunakan pelbagai bahan tambahan dan penstabil.

15 Ketebalan filem 15 Substrat Larutan sol Kelajuan putaran Rajah 2.2 Gambarajah skema bagi proses penyalutan berputar sol-gel Kaedah Elektroenapan Elektroenapan merupakan kaedah yang mudah tetapi memerlukan alat yang kompleks dan juga kadar pemendapan yang tinggi. Peralatan mudah yang digunakan dalam proses elektroenapan adalah seperti termostat, satu bekas larutan, dua elektrod (anod dan katod) dan juga litar elektrik untuk elektrolisis. Kaedah ini digunakan secara meluas untuk menghasilkan filem Cu 2 O. Mahalingam et al. (2006) telah melaporkan filem Cu 2 O dihasilkan menggunakan kaedah elektroenapan secara galvanostatik dalam julat suhu mandian antara 30 hingga 90 ºC. Saiz hablur adalah dianggarkan 210 hingga 510 nm dengan bentuk butiran piramid bersegi empat. Sifat-sifat optik dan elektrik yang diperolehi ialah nilai jurang tenaga 1.98 ev dan kerintangan elektrik bagi filem Cu 2 O ialah 10 6 ohm-cm. Filem dengan kerintangan yang rendah adalah yang paling sesuai untuk sel fotoelektrokimia. Oleh itu, Mahalingam et al. (2006) telah melaporkan parameter pengenapan yang optimum untuk mensintesis filem nipis kuprus oksida ialah keupayaan pengenapan V melawan elektrod kalomel tepu (SCE) dengan nilai ph 9.0 dan suhu larutan mandian adalah 70 C. Han dan Tao (2009) telah menghasilkan simpang p-n untuk Cu 2 O sel suria menggunakan kaedah elektroenapan. Berdasarkan kajian yang diperolehi, sifat-sifat elektrik bahan ini dikaji menggunakan kaedah arus-voltan. Didapati kerintangan p-

16 16 Cu 2 O adalah antara 3.2 x 10 5 hingga 2.0 x 10 8 Ωcm, sementara kerintangan n-cu 2 O adalah antara 2.5 x 10 7 hingga 8.0 x 10 8 Ωcm bergantung kepada kondisi pemendapan seperti ph larutan, keupayaan pemendapan dan suhu mandian. Bijani et al. (2007) menggunakan kaedah elektroenapan bagi menghasilkan filem nipis Cu 2 O nanostruktur. Filem yang sekata dengan ketebalan 1 µm dan saiz partikel antara 60 hingga 400 nm dihasilkan daripada larutan kuprum(ii) laktat manakala Daltin et al. (2005) menghasilkan nano-wayar Cu 2 O berdiameter 100 nm dengan panjang 16 µm Kaedah Kimia Kaedah kimia merupakan satu proses kimia untuk menghasilkan bahan yang berketulenan tinggi. Proses ini selalunya digunakan dalam industri semikonduktor bagi menghasilkan filem nipis. Nair et al. (1999) melaporkan penggunaan kaedah kimia untuk menghasilkan kuprus oksida di atas subtrat kaca. Slaid kaca dicelup terlebih dahulu di dalam 1M larutan akuas NaOH yang dibiarkan pada suhu C selama 20 s dan kemudian dicelup ke dalam larutan akuas kuprum kompleks. Selepas tiga kitaran rendaman, filem berketebalan 30 nm yang mempunyai warna perang keperangan terhasil. Borgohain et al. (2002) telah menghasilkan zarah kuantum kuprus oksida dan mengkaji sifat-sifatnya. Dua kaedah telah digunakan. Kaedah yang pertama melibatkan kaedah kimia konvensional. Ia dilakukan dengan memanaskan kuprum tartarat kompleks bersama glukos dengan kehadiran ejen penudungan (capping) seperti polivinil pirolidon (PVP), menghasilkan mendakan kuprus oksida. Fernando et al. (2002) menggunakan kaedah kimia basah yang mudah dengan mendidihkan plat kuprum di dalam larutan CuSO 4 untuk menghasilkan lapisan Cu 2 O. Berdasarkan kajian itu, ketebalan lapisan yang diperolehi adalah 1.4 µm selama 60 minit dididihkan dalam larutan CuSO 4 dan saiz butiran adalah 1 µm. Lapisan Cu 2 O yang diperolehi adalah jenis-n dengan jurang tenaga 2.2 ev Percikan Reaktif Percikan reaktif merupakan satu kaedah untuk mengendap filem melalui tindak balas kimia antara bahan sasaran dan gas yang memasuki kebuk vakum. Filem oksida dan nitrit selalunya dihasilkan menggunakan kaedah ini. Komposisi filem boleh dikawal

17 17 dengan menggunakan tekanan gas lengai dan reaktif yang berbeza. Kaedah percikan reaktif berupaya untuk menghasilkan filem nipis (kurang 1 µm) yang sekata. Drobny dan Pulfrey (1979) telah menjalankan kajian sifat elektrik dan optik filem nipis Cu 2 O. Percikan kuprum dalam campuran oksigen-argon telah dijalankan dan mendapati kerintangan filem nipis Cu 2 O dapat dikawal dengan mengubah tekanan oksigen. Kerintangan filem nipis Cu 2 O yang diperolehi adalah serendah 25 Ωm. Kajian optik menunjukkan indeks biasan dalam spektrum nampak (n ) adalah tinggi dan pekali pemupusan adalah rendah di bawah 2.5 ev. Pierson et al. (2003) telah melaporkan penghasilan fasa tunggal filem nipis Cu 2 O menggunakan kaedah percikan reaktif dengan kuasa 600 W dan kadar aliran oksigen pada 4sccm. Selain itu, jika terdapat sisihan kadar aliran oksigen pada 600 W akan membentuk kuprum oksida yang berlainan stoikiometri atau campuran fasa kuprum oksida. Ogwu et al. (2005b) telah mengkaji kuasa rf semasa pengenapan filem mempunyai kesan yang signifikan terhadap pancaran optik dan jurang tenaga optik filem. Dengan mengubah kuasa rf semasa pengenapan daripada 200 kepada 800 W, akan terhasil filem nipis yang kaya Cu 2 O dengan bentuk lutsinar kekuningan bersama CuO. Nilai jurang tenaga yang diperolehi mempunyai hubung kait dengan ketebalan filem. Ketebalan filem meningkat dengan kuasa rf yang digunakan dan nilai jurang tenaga menurun. Nilai yang diperolehi adalah dalam julat ev bagi Cu 2 O berfasa tunggal Pengoksidaan Terma Pengoksidaan terma merupakan satu kaedah untuk menghasilkan lapisan nipis oksida ke atas satu permukaan wafer atau substrat. Teknik ini memerlukan agen pengoksidaan bagi membolehkan Cu untuk menyerap masuk ke dalam wafer atau substrat pada suhu yang tinggi dan bertindak balas dengan wafer atau substrat tersebut dan membentuk lapisan nipis oksida. Musa et al. (1998) telah melaporkan penghasilan Cu 2 O melalui kaedah pengoksidaan terma dan sifat-sifat fizik dan elektrik dikaji. Semasa proses kepingan kuprum dipanaskan antara suhu 200 hingga 1050 C. Didapati dalam julat suhu C, hanya satu fasa Cu 2 O wujud manakala pada suhu C, campuran Cu 2 O dan CuO terbentuk. Zhou dan Yang (2003)

18 18 mengkaji kesan suhu terhadap morfologi filem nipis Cu 2 O dengan mengoksidakan Cu(001) pada julat suhu 150 hingga 1000 C. Berdasarkan kajian itu didapati pelbagai morfologi terbentuk seperti rod, piramid dan segitiga bergantung kepada suhu pengoksidaan. Suhu sepuh lindap memainkan peranan yang amat penting bagi menghasilkan filem Cu 2 O yang berfasa tunggal. Onimisi (2008) telah melaporkan kesan suhu dan masa sepuh lindap terhadap kerintangan filem nipis Cu 2 O yang disediakan melalui kaedah pengoksidaan terma. Suhu dan masa pengoksidaan yang digunakan adalah dalam julat C selama 3-7 minit. Suhu dan masa pengoksidaan memberi kesan terhadap ketebalan filem dan juga kerintangan filem Cu 2 O. Masa pengoksidaan yang lama menghasilkan ketebalan filem yang tinggi berbanding dengan masa pengoksidaan yang singkat. Pada suhu pengoksidaan yang tinggi berlaku penyembuhan kecacatan pada struktur filem Cu 2 O dan ini menyebabkan kerintangan filem menurun. Zhou dan Yang (2003) telah mengkaji kesan suhu pada morfologi filem Cu 2 O melalui kaedah pengoksidaan pada suhu C. Hasil daripada kajian tersebut, morfologi filem boleh didapati dalam bentuk bersegi tiga, rod dan piramid bergantung kepada suhu pengoksidaan. Pada suhu 350 C, bentuk morfologi adalah kepulauan berbentuk segi tiga; apabila suhu ditingkatkan antara C bentuk morfologi berubah kepada sfera atau segiempat berasaskan kepulauan; dan pada suhu pengoksidaan antara C pula menghasilkan pembentukan kepulauan piramid. Papadimitropoulus et al. (2005) melaporkan penghasilan filem nipis Cu 2 O adalah pada suhu 225 C dan suhu melebihi 225 C akan menghasilkan filem nipis CuO. 2.5 PARAMETER PENYEDIAAN FILEM NIPIS Cu 2 O Parameter penyediaan adalah faktor yang paling penting sebelum penyediaan sesuatu bahan sama ada dalam bentuk filem nipis, serbuk atau pelet. Bagi filem nipis terdapat beberapa parameter yang perlu diambil kira bagi mendapatkan filem yang baik dan boleh diaplikasikan untuk sesuatu kegunaan. Dalam penghasilan filem, parameter yang optimum adalah perlu bagi menghasilkan filem Cu 2 O yang berfasa tunggal

19 19 dengan sifat fizik dan kimia yang baik. Parameter yang diperlukan bergantung kepada kaedah penghasilan yang digunakan. Armelao et al. (2003) menggunakan pelbagai parameter untuk menghasilkan filem nipis Cu 2 O yang berfasa tunggal. Antara parameter yang digunakan adalah tiga jenis atmosfera penyepuh lindapan iaitu udara biasa, nitrogen dan atmosfera penurunan (4% H 2 dalam N 2 ), suhu penyepuh lindapan dalam julat C, tempoh penyepuh lindapan iaitu dalam julat 1-5 jam. Penyalutan celup dijalankan dalam suhu bilik dengan kawalan kelajuan 7 cm/min. Proses penyalutan celup berulang kali dijalankan tanpa penyepuh lindapan bagi setiap celupan. Filem yang terhasil adalah homogen, kelekatan yang baik dengan susbtrat, lutsinar, tidak retak dan berwarna biru keperangan. Hasil kajian Armelao et al. (2003) mendapati suhu penyepuh lindapan 900 C selama 5 jam di dalam atmosfera nitrogen menghasilkan filem nipis berfasa tunggal Cu 2 O manakala di dalam atmosfera penurun, dwifasa CuO dan Cu 2 O terhasil. Suhu penyepuh lindapan merupakan faktor yang penting bagi penghasilan sesuatu bahan. Ini dibuktikan oleh Ray (2001) yang mana penghasilan Cu 2 O berfasa tunggal pada suhu penyepuh lindapan 360 C dan berubah fasa kepada CuO apabila suhu penyepuh lindapan ditingkatkan seperti yang ditunjukkan oleh persamaan 2.3 dan 2.4 di Bahagian Bahan tambahan merupakan satu bahan yang ditambah dalam kuantiti yang sedikit bagi meningkatkan dan menguatkan sesuatu sifat bahan. Tiada kajian yang melaporkan kesan bahan tambahan ke atas filem nipis Cu 2 O yang dihasilkan melalui kaedah sol-gel. Berdasarkan kajian yang menggunakan kaedah kimia basah, Huang et al. (2009) melaporkan penghasilan partikel Cu 2 O nano dan mikrosaiz. Bahan tambahan yang digunakan ialah cetiltrimetilammonium bromida (CTAB), etilena glikol (EG) dan juga glukosa. Penggunaan etilena glikol (EG) sebagai agen penurunan dan juga pelarut menghasilkan partikel yang bersaiz 85 nm. Glukosa pula digunakan sebagai penurun dan menghasilkan butiran berbentuk sfera dengan saiz 96 nm. Gou dan Murphy (2004) telah melaporkan pengawalan saiz nanokubus Cu 2 O daripada 200 kepada 25 nm menggunakan polietilena glikol (PEG) dan natrium hidroksida.

20 20 Kepekatan larutan polietilena glikol (PEG) juga memberi kesan kepada saiz kubus. Apabila kepekatan polietilena glikol (PEG) rendah, terdapat campuran kubus bersaiz besar (200 nm) dan kubus kecil (60 nm). Dong et al (2001) menghasilkan polihablur berbentuk sfera dengan kehadiran bahan tambah organik yang berbeza seperti cetilmetilammonium bromida (CTAB), glukos (C 6 H 12 O 6 ), etilena glikol (EG) (C 2 H 6 O 2 ) dan gliserol (C 3 H 8 O 3 ). Hasil daripada kajiannya didapati bahan tambah organik memberi kesan terhadap mekanisma pembentukan partikel Cu 2 O dan menghasilkan mikrostruktur yang berbeza. Penambahan CTAB kepada larutan membentuk hablur tunggal berbentuk kubus Cu 2 O. Manakala penambahan glukos membentuk polihablur berbentuk sfera Cu 2 O. Li et al. (2006) melaporkan morfologi hablur Cu 2 O dikawal menggunakan cecair ionik hidrofilik sebagai bahan tambahan semasa proses elektroenapan pada suhu bilik. 2.6 SIFAT FOTOVOLTAN SEL FOTOVOLTAN Fotovoltan diambil daripada perkataan foto dan voltan iaitu kesan foton (sinaran) dalam bentuk sinaran gelombang elektromagnet ke atas suatu bahan yang kemudiannya menghasilkan voltan, iaitu tenaga elektrik. Voltan ialah unit daya gerak elektrik akibat kewujudan kecerunan medan elektrik. Umumnya fotovoltan ialah proses penjanaan elektrik disebabkan sinaran suria yang menimpa suatu bahan. Bahan ini dinamakan sel suria. Apabila sinaran suria menimpa peranti sel suria, sebahagian daripada foton akan memberikan tenaga kepada sel. Akibatnya elektron teruja daripada aras valensi ke aras konduksi dan membentuk pasangan elektron-lohong di dalam sel fotovoltan. Pembentukan pasangan elektron-lohong akan menghasilkan arusfoto yang mengalir daripada bahan jenis-n kepada bahan jenis-p di dalam sel suria. Perbezaan tenaga di antara aras valensi dan aras konduksi dikenali sebagai jurang jalur tenaga. Semua bahan semikonduktor yang mempunyai jurang jalur tenaga antara 1 ev dan 2 ev adalah bahan yang sesuai bagi sel fotovoltan. Secara umumnya, sel fotovoltan adalah peranti yang terdiri daripada dua semikonduktor yang berlainan sifat elektrik berada dalam sentuhan antara satu sama lain untuk membentuk simpang p-n. Ia

21 21 menukar secara terus tenaga cahaya kepada tenaga elektrik apabila disinari cahaya. Rajah 2.3 menunjukkan struktur sel fotovoltan yang paling ringkas. Dalam proses fotovoltan, foton diserap oleh bahan yang mempunyai jurang tenaga (E g ) tertentu. Foton yang diserap ini akan menghasilkan pasangan elektronlohong jika tenaga hv E g. Pembawa cas akan bergerak ke arah cantuman yang mempunyai medan elektrik. Elektron dan lohong dipisahkan oleh medan dan menghasilkan arus. Foton yang tenaganya hv < E g, tidak diserap dan tidak ada penjanaan pasangan elektron dan lohong. Elektrod positif adalah lapisan yang paling atas merupakan medium bagi cahaya untuk diserap oleh semikonduktor dan berupaya menerima elektron yang terhasil dari kesan fotovoltan yang berlaku pada simpang p-n. Lapisan yang kedua adalah semikonduktor jenis-n yang bertindak sebagai pembawa cas majoriti negatif, iaitu elektron. Semikonduktor jenis-p adalah pembawa cas majoriti positif, iaitu lohong. Peranti dilengkapkan dengan lapisan terakhir iaitu elektrod negatif yang berfungsi sebagai medium untuk menerima elektron dari litar luar (Zambuto 1989). + Elektrod positif lutsinar Semikonduktor jenis-n Semikonduktor jenis-p Elektrod negatif lutsinar - Rajah 2.3 Struktur sel fotovoltan 2.7 SIFAT FOTOVOLTAN SEL FOTOELEKTROKIMIA Semikonduktor yang menjadi bahan asas pembuatan sel suria perlu mempunyai jurang jalur tenaga yang sesuai untuk menyerap spektrum suria dengan sempurna. Sel fotoelektrokimia adalah peranti yang terdiri daripada bahan semikonduktor yang

22 22 berada dalam sentuhan dengan elektrolit bagi membentuk simpang semikonduktorelektrolit. Ia merupakan satu peranti yang berupaya menukarkan tenaga cahaya kepada tenaga elektrik apabila disinari cahaya. Ia berbeza daripada sel fotovolatan kerana ianya menggunakan elektrolit bagi membolehkan proses penukaran elektron dengan elektrolit berlaku. Ia mempunyai empat lapisan yang memerlukan pemahaman yang jelas tentang fungsi setiap lapisan. Keserasian setiap lapisan dengan lapisan yang lain memainkan peranan penting bagi menentukan prestasi sel fotoelektrokimia. Bagi memastikan filem Cu 2 O mempunyai potensi dalam sel suria, sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit difabrikasi. Rajah 2.4 menunjukkan struktur sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit. + ITO Cu 2 O PVC-LiClO 4 grafit - Rajah 2.4 Struktur sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit Lapisan paling atas merupakan elektrod positif lutsinar yang merupakan medium bagi cahaya untuk diserap oleh semikonduktor. Selain itu, ia juga merupakan medium untuk menerima elektron yang terhasil dari kesan fotovoltan yang berlaku dalam semikonduktor. Lapisan kedua ialah semikonduktor yang menyerap cahaya bagi membolehkan pasangan elektron-lohong terjana. Lapisan ketiga ialah elektrolit pepejal yang membekalkan ion bagi membolehkan proses penurunan dan pengoksidaan berlaku untuk mekanisma penukaran elektron antara elektrolit dan semikonduktor. Lapisan terakhir bagi peranti ini ialah elektrod negatif yang berfungsi sebagai medium untuk menerima elektron dari litar luar. Ianya juga merupakan medium untuk menderma elektron kepada penerima bagi proses penurunan pada antara muka elektrod negatif-elektrolit.

23 23 Jurang tenaga optik adalah parameter utama bahan semikonduktor, terutama sekali dalam sel fotoelektrokimia. Cu 2 O mempunyai jurang tenaga 2.0 ev adalah dalam julat yang boleh digunakan dalam sel fotoelektrokimia. Antara bahan semikonduktor yang digunakan sebagai fotoelektrod dalam sel fotoelektrokimia adalah TiO 2 (Toshinobu et al. 1991), SrTiO 3 (Salvador et al. 1984), BaTiO 3 (Yoon dan Chung 1992) dan SnO 2 (Stilwell dan Park 1982). Jadual 2.3 menyenaraikan bahan semikonduktor dengan nilai jurang jalur tenaga masing-masing. Oleh kerana jurang tenaga yang tinggi, bahan-bahan ini tidak dapat menyerap sebahagian besar cahaya nampak. Bahan yang mempunyai jurang tenaga yang kecil seperti Si (Levy-Clement et al. 1991), GaAs (Fan dan Bard 1980), InP (Chandra et al. 1985) dikaji kerana berpotensi untuk digunakan pada jarak gelombang nampak yang tertentu. Cu 2 O mempunyai jurang tenaga yang agak tinggi dan penyerapan yang tinggi pada jarak gelombang di bawah 600 nm (Nair et al. 1999). Jadual 2.3 Semikonduktor berserta nilai jurang tenaga Semikonduktor Jurang tenaga (ev) TiO Cu 2 O 2.0 SnO Si 1.1 GaAs 1.4 InP Sel Elektrokimia Sel elektrokimia merupakan satu proses kimia yang dikenali juga sebagai proses elektrolisis iaitu berlaku proses penguraian elektrolit kepada unsur juzuknya apabila arus elektrik mengalir melaluinya. Arus elektrik boleh dialirkan melalui elektrolit dengan menggunakan dua elektrod iaitu katod (Cu) dan anod (Zn). Sel elektrolit ialah susunan litar elektrik yang mengandungi elektrod yang dikenali sebagai anod dan katod yang direndam ke dalam elektrolit yang disambungkan kepada voltmeter seperti di dalam Rajah 2.5.

24 24 Elektrod adalah konduktor elektrik yang mana arus elektrik masuk dan keluar melaluinya. Grafit atau platinum biasanya digunakan sebagai elektrod kerana keduaduanya adalah lengai dan tidak bertindak balas dengan elektrolit atau hasil elektrolisis. Elektrod yang disambungkan kepada terminal positif yang dinamakan anod manakala elektrod yang disambungkan kepada terminal negatif dinamakan katod. Elektrolit mengalirkan elektrik dalam larutan akuas atau dalam keadaan cecair adalah bukti bahawa wujudnya kation (ion positif) dan anion (ion negatif) yang bergerak bebas. Voltmeter pula bertindak sebagai pam elektron yang mengeluarkan elektron daripada anod (terminal positif) dan menarik elektron ke dalam katod (terminal negatif). Oleh itu, elektron akan mengalir dari anod (Zn) ke katod (Cu) melalui litar luar sel elektrolit. Dalam keadaan pepejal, kation dan anion elektrolit tidak dapat bergerak bebas kerana kedua-dua ion tersebut terikat dengan ikatan ionik yang kuat dalam kedudukan yang tetap. Voltmeter Elektrod Zn (anod) Elektrod Cu (katod) Larutan ZnSO M Larutan CuSO M Rajah 2.5 Sel galvanik elektrokimia Dalam kajian ini, elektrolit pepejal digunakan dalam fabrikasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit. Semasa proses elektrokimia, pengoksidaan berlaku pada bahagian anod dan penurunan berlaku pada bahagian katod. Dalam sel elektrolit, elektron bergerak daripada anod (elektrod positif iaitu Zn) ke katod (elektrod negatif iaitu Cu) melalui wayar yang dihubungkan. Konsep elektrokimia yang digunakan dalam kajian ini adalah hampir sama seperti yang

25 25 dibincangkan di bahagian ini, yang membezakannya adalah elektrolit yang digunakan adalah elektrolit pepejal polimer poli(vinilklorida)-litium perklorat (PVC-LiClO 4 ) 2.8 LAPISAN SEL FOTOELEKTROKIMIA ITO/Cu 2 O/PVC/LiClO 4 /GRAFIT Sel fotoelektrokimia telah mula dipertimbangkan sebagai penukar tenaga suria yang berguna (Fujishima et al. 1972). Disebabkan tenaga suria mudah diperolehi dan sumber tenaga yang tidak habis, penukar tenaga suria telah menarik perhatian ramai penyelidik. Sel fotoelektrokimia menukarkan tenaga suria kepada tenaga kimia yang tersimpan sebagai hidrogen melalui fotoelektrolisis air. Masalah utama sel ini adalah untuk menghasilkan fotoelektrod semikonduktor yang stabil dan cekap. Oksida semikonduktor seperti TiO 2, SrTiO 3, BaTiO 3 dan SnO 2 telah dikaji sebagai fotoelektrod pilihan. Oksida ini stabil dalam larutan akuas tetapi tidak dapat menyerap sebahagian besar cahaya nampak disebabkan secara relatifnya ia mempunyai jurang tenaga yang besar. Penyelidik telah melaporkan masalah tersebut boleh dikurangkan dengan salutan oksida yang mempunyai kestabilan kimia dan pemancaran yang tinggi atau salutan lapisan logam yang nipis ke atas semikonduktor yang mempunyai jurang tenaga yang kecil. Penggunaan elektrolit polimer pepejal dalam kajian ini bagi mengelakkan kebocoran, masalah kestabilan dan dapat mengatasi masalah berat peranti yang besar. Walau bagaimanapun, terdapat juga penyelidik yang menggunakan elektrolit cecair dalam pembangunan sel fotoelektrokimia. Terdapat penyelidik yang membangunkan sel fotoelektrokimia menggunakan elektrolit cecair contohnya Mahalingam et al. (2006) yang membangunkan sel fotoelektrokimia menggunakan Cu 2 O sebagai fotoelektrod, platinum sebagai elektrod pembilang dan elektrod rujukan kalomel tepu. Elektrolit cecair yang digunakan adalah campuran larutan KI (1M) dan I 2 (0.01M). Hasil kajiannya memperolehi nilai ketumpatan arus (J sc ) dan voltan litar terbuka (V oc ) masing-masing adalah 3.0 ma/cm2 dan 0.38 V. Sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/elektrolit cecair/pt, disinari cahaya di bawah keamatan cahaya 68 mw/cm 2 dengan keluasan kawasan disinari 0.5 cm 2. Filem Cu 2 O yang dihasilkan melalui kaedah elektroenapan adalah berbentuk piramid segiempat dengan saiz butiran yang agak besar. Saiz butiran yang besar bagi filem

26 26 Cu 2 O dapat memberikan luas permukaan yang besar bagi peranti fotoelektrokimia simpang elektrolit cecair/cu 2 O. Kerintangan filem Cu 2 O di atas kaca yang disaluti SnO 2 yang tidak disepuh lindap memberikan nilai yang agak tinggi 1.6 x 10 6 ohm.cm. Rajah 2.6 menunjukkan skema sel fotoelektrokimia yang dihasilkan oleh Mahalingam et al. (2006). hν Rajah 2.6 Skema illustrasi pandangan hadapan sel suria fotoelekrokimia dengan keluasan disinari cahaya 0.5 cm 2 (1) Kaca, (2) Filem ITO, (3) Filem Cu 2 O, (4) Elektrolit cecair dan (5) Elektrod platinum (tanpa skala) Lapisan Elektrod Positif ITO Peranan elektrod positif ialah membenarkan cahaya diserap oleh sel fotoelektrokimia dan juga merupakan medium untuk menerima elektron dari kesan fotovoltan yang terhasil dalam semikonduktor. Bagi suatu sistem sel fotoelektrokimia, elektrod positif harus mempunyai sifat yang lutsinar dan kekonduksian elektrik yang tinggi. Antara elektrod lutsinar yang boleh digunakan sebagai elektrod positif sel fotoelektrokimia ialah indium timah oksida (ITO), indium oksida (In 2 O 3 ) dan timah oksida (SnO 2 ) (Krause dan Bach 1997). Dalam kajian ini, ITO digunakan sebagai elektrod positif sel fotoelektrokimia kerana ianya lutsinar dan mempunyai sifat konduktor yang baik (Herrero et al. 2004) Lapisan Filem Cu 2 O Cu 2 O merupakan semikonduktor oksida logam peralihan yang menjadi pilihan ramai penyelidik sebagai bahan sel fotoelektrokimia. Dalam kebanyakan bahan logam oksida untuk kegunaan tenaga suria, Cu 2 O merupakan bahan semikonduktor yang unik. Kepentingan sifat bahan Cu 2 O telah dikaji sejak pertengahan 1970 dan awal Cu 2 O telah dikaji sebagai bahan fotovoltan. Terdapat beberapa sifat bahan Cu 2 O

27 27 yang membuatkan ia sesuai untuk sel fotoelektrokimia. Cu 2 O adalah merupakan bahan semikonduktor yang tidak toksik dengan pekali penyerapan optik yang baik membolehkan sel difabrikasi dalam bentuk filem. Selain itu, kos fabrikasi juga rendah dan jurang tenaga yang berada dalam julat yang boleh diterima pakai untuk penyerapan spektrum suria. Jadual 2.4 menyenaraikan kecekapan sel fotoelektrokimia yang menggunakan filem Cu 2 O sebagai pengkonduksi ion. Georgieva dan Ristov (2002) telah melaporkan grafit atau pes perak dimendapkan pada belakang lapisan Cu 2 O, sel suria lengkap sebagai dinding depan sel. Simpang ITO/Cu 2 O disinari cahaya dengan keluasan kawasan disinari ialah 1.0 cm 2. Nilai yang terbaik bagi V oc dan I sc ialah 340 mv dan 245 μa/cm 2, masing-masing dan pencahayan oleh oleh sumber cahaya cerah 100 mw/cm 2. Sentuhan belakang grafit adalah kerana mudah dan murah bagi penyediaan sel berbanding sentuhan pes perak yang tidak mempunyai rintangan. Kajian terhadap struktur, morfologi dan juga sifat-sifat optik dan elektrik filem Cu 2 O adalah untuk memperbaiki kecekapan sel. Berdasarkan Yusri (2005), filem TiO 2 yang saiz butirannya adalah paling kecil dan topografi permukaan adalah licin, memberikan sentuhan antara muka yang terbaik. Nilai V oc dan I sc sel fotoelektrokimia meningkat dengan penurunan saiz butiran filem TiO 2 dan kekasarannya. Jadual 2.4 Sel fotoelektrokimia berserta kecekapan (η) sel fotoelektrokimia Sel fotoelektrokimia η (%) Rujukan ITO/Cu 2 O/grafit Georgieva dan Ristov (2002) Cu 2 O/fasa cecair < 1.0 Smith et al. (1995) ZnO/Cu 2 O/sistem elektrolit 0.41 Jeong et al. (2008) ITO/Cu 2 O/Cu x S 0.01 Jayewardena et al. (1998) ITO/Cu 2 O/elektrolit cecair/pt 0.8 Mahalingam et al. (2006)

28 Lapisan Elektrolit Pepejal PVC-LiClO 4 Elektrolit merupakan satu bahan yang boleh mengalirkan arus elektrik apabila ia dilarutkan dalam pelarut seperti air. Elektrolit mengandungi spesis yang bercas positif yang dikenali sebagai kation dan spesis yang bercas negatif yang dikenali sebagai anion. Secara umumnya, elektrolit boleh dibahagikan kepada elektrolit pepejal, cecair dan gel. Kekonduksian elektrolit cecair adalah lebih tinggi berbanding dengan elektrolit pepejal dan gel kerana ionnya bergerak dengan lebih lincah dalam perumahnya dan seterusnya memberikan rangsangan yang lebih cepat. Walau bagaimanapun, elektrolit cecair mempunyai beberapa kelemahan seperti berat, bentuk, kestabilan dan kebocoran kepada peranti ionik seperti tingkap elektrokromik dan sel fotoelektrokimia. Terdapat beberapa elektrolit cecair yang biasa digunakan dalam sel fotoelektrokimia ialah larutan berair yang terdiri dari kalium iodida (KI) dan iodin (I 2 ) dalam polietilena oksida/difenil amina (PEO/DFA) membekalkan pasangan redoks iodida/triiodida (I - /I - 3 ) (Ganesan et al. 2008). Pasangan redoks adalah penting kerana ia merupakan penerima dan penderma yang sesuai bagi mekanisme penukaran elektron dengan semikonduktor dalam sel fotoelektrokimia. Bagi mengatasi masalah yang dihadapi oleh elektrolit cecair dalam sel fotoelektrokimia, maka elektrolit pepejal merupakan satu pilihan yang sesuai. Elektrolit pepejal polimer poli(vinilklorida)-litium perklorat (PVC-LiClO 4 ) digunakan bagi menggantikan elektrolit cecair yang mempunyai beberapa kelemahan seperti masalah berat, bentuk, kestabilan dan kebocoran pada peranti ionik. Elektrolit pepejal lebih praktikal bagi peranti yang bersaiz besar dan lebih mudah dikendalikan. Elektrolit pepejal yang digunakan mesti mempunyai kekonduksian ionik yang tinggi pada suhu bilik, mempunyai kestabilan fotoelektrokimia yang tinggi, sifat mekanik dan terma yang baik dan boleh disediakan dalam bentuk filem. Umumnya, elektrolit polimer terhasil daripada pengkompleksan satu garam tak organik dengan bahan polimer tertentu. Penggunaan bahan perumah poli(vinilklorida) (PVC) untuk didopkan dengan garam tak organik litium perklorat (LiClO 4 ) sebagai elektrolit pepejal adalah sebagai pengkonduksi dalam sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit. Elektrolit ini disediakan melalui kaedah penuangan larutan dan teknik penyediaan elektrolit polimer telah dihuraikan secara terperinci dalam Bahagian

29 Lapisan Elektrod Negatif Grafit Elektrod negatif atau katod merupakan medium untuk menerima elektron dari litar luar yang mengalir dari elektrod positif sel fotoelektrokimia yang terhasil dari kesan fotovoltan. Selain itu, ia juga bertindak sebagai medium yang menderma elektron kepada penerima yang sesuai dalam elektrolit bagi tindak balas penurunan berlaku pada antara muka elektrod-elektrolit. Dalam pemilihan elektrod negatif, sifat fizik yang harus dipertimbangkan ialah kekonduksian elektrik yang baik, elektronegatifan yang tinggi, kestabilan yang baik, saiz butiran yang halus dan boleh disediakan dalam bentuk filem nipis. Elektrod grafit digunakan dalam sel fotoelektrokimia kerana mempunyai elektronegatifan yang tinggi iaitu 2.60 berdasarkan skala Pauli yang akan menerima banyak elektron dari elektrod positif indium timah oksida (ITO). Ketumpatannya ialah kgm -3. Takat lebur dan takat didih masing-masing ialah C dan 4200 C. Kerintangan elektriknya ialah 5 x 10-6 Ωm 30 x 10-6 Ωm. Filem nipis grafit difabrikasi melalui kaedah penyejatan alur elektron. Proses pemendapan filem grafit ke atas kaca substrat dihuraikan secara terperinci dalam Bahagian Teknik penyejatan alur elektron dipilih kerana ia menghasilkan filem dengan kelekatan yang kuat ke atas substrat dan ketebalan filem boleh dikawal melalui pengawalan kadar pemendapan. Filem grafit dengan saiz butiran yang halus dapat disediakan di atas substrat kaca menghasilkan struktur permukaan yang licin dan ini menjadikan sentuhan yang baik di antara filem dan elektrolit. Ini membolehkan proses penurunan berlaku dengan berkesan di antara muka elektrod-elektrolit. 2.9 MEKANISMA SIFAT FOTOVOLTAN SEL FOTOELEKTROKIMIA Sel Fotoelektrokimia di dalam Gelap Di dalam keadaan gelap, sel fotoelektrokimia berada di dalam keseimbangan jika tiada pincangan dikenakan. Arus resapan merentasi simpang elektrolit/semikonduktor diseimbangkan oleh arus hanyut yang mengalir di dalam arah yang bertentangan (Rohr 2000). Dalam keadaan gelap, arus akan mengalir dalam arah pincangan

30 30 hadapan apabila terminal positif sel fotoelektrokimia disambung kepada terminal positif sumber voltan. Manakala arus akan mengalir dalam arah pincang songsang apabila terminal negatif peranti disambung kepada terminal negatif sumber voltan. Arus di dalam pincang depan dan songsang diberi oleh persamaan (Parker 1994) I D = I o [eksp(qv/kt)-1] (2.5) dengan I D = arus di dalam peranti I O = arus tepu q = cas elektrik T = suhu mutlak k = pemalar Boltzman (1.38 x JK -1 ) V = voltan yang dibekalkan kepada peranti Sel Fotoelektrokimia di bawah Pencahayaan Sel fotoelektrokimia di bawah pencahayaan melalui enam proses utama, iaitu proses penyerapan cahaya bagi penghasilan pasangan elektron-lohong, pengujaan elektron di dalam semikonduktor sel elektrokimia, pengaliran elektron dari elektrod positif ke elektrod negatif bagi penghasilan arus elektrik, proses penurunan di antara muka elektrod negatif-elektrolit, proses pengoksidaan di antara muka semikonduktorelektrolit dan proses pengabungan semula elektron-lohong. Penjanaan arus dalam sel fotoelektrokimia adalah berbeza berbanding dengan sel fotovoltan kerana ianya melibatkan penukaran elektron antara elektrolit dan semikonduktor. Tiada tindak balas redoks berlaku dalam sel fotovoltan. Apabila cahaya dengan tenaga foton (hv) mengatasi jurang tenaga semikonduktor (E g ) pasangan elektron-lohong (e - - h + ) akan dijanakan. Kesan fotoelektrik terhasil yang mana foton (cahaya ternampakan, hv) memberi tenaga kepada elektron di dalam jalur valensi supaya mempunyai tenaga yang cukup untuk sampai ke jalur konduksi. Elektron diuja dari jalur valensi ke jalur konduksi merentasi E g semikonduktor meninggalkan h + yang kemudiannya bergerak ke elektrolit (Rohr 2000). Paras Fermi (E F ) semikonduktor meningkat. Ini adalah disebabkan saling

31 31 tindakan antara e - dalam jalur valensi dan jalur konduksi dalam semikonduktor adalah lemah. Elektron yang teruja akan meninggalkan kekosongan pada jalur valensi yang kemudiannya akan diisi oleh e - lain. Sebahagian e - yang telah diuja ke jalur konduksi akan segera bergabung semula dengan h + dengan mengeluarkan foton secara sinaran (Rohr 2000). Sebahagian e - yang tersuntik di dalam jalur konduksi semikonduktor kemudiannya akan diangkut dari elektrod positif sel fotoelektrokimia ke elektrod negatif grafit menerusi litar luar yang terdiri dari rintangan luar, ammeter dan voltmeter. Sel fotoelektrokimia akan menghasilkan arus foto yang tinggi jika penggabungan semula lebih rendah berbanding dengan kadar elektron jalur konduksi semikonduktor yang dipungut oleh elektrod positif (Zhang et al. 2004). Elektrod negatif akan menderma e - kepada penerima yang sesuai dalam elektrolit bagi tindak balas penurunan di antara muka elektrolit/semikonduktor. Penerima kemudiannya akan dioksidakan di antara muka semikonduktor elektrolit bagi menderma e - kepada h + yang bercas positif. Pasangan elektron (e - )-lohong (h + ) yang telah bergabung semula ini kemudiannya akan mengisi kekosongan yang telah ditinggalkan oleh elektron jalur valensi yang telah diuja ke jalur konduksi semikonduktor semasa sel fotoelektrokimia disinari cahaya. Proses ini akan diulangi selagi sel fotoelektrokimia disinari cahaya. Keseimbangan akan dicapai dengan pemindahan cas pada antara muka semikonduktor-elektrolit. E F akan dilaras dengan pembentukan lapisan Helmholtz di antara muka elektrolit-semikonduktor dan lapisan penyusutan di antara muka semikonduktor-elektrolit. Keupayaan di dalam lapisan Helmholtz akan semakin berkurangan sekiranya banyak cas pada permukaan semikonduktor. Semakin banyak pula cas yang berlawanan di permukaan semikonduktor. Ini menyebabkan medan elektrik yang lebih besar akan teraruh di dalam semikonduktor. Lapisan Helmholtz adalah penting untuk semikonduktor. Apabila tiada lapisan ini, pembengkokan jalur adalah sama dengan perbezaan E F asal antara elektrolit dan semikonduktor. Hubungan paras Fermi elektrolit (E F, redoks ) dengan keupayaan redoks diberi oleh hubungan (Chopra dan Das 1986) E F, redoks = 4.5 ev- U oe (2.6)

32 32 dengan U oe = keupayaan redoks keseimbangan Semasa sel fotoelektrokimia disinari cahaya, berlaku pembengkokan jalur dalam semikonduktor. Pembengkokan jalur (V B ) diberikan oleh persamaan V B = U-U fb (2.7) dengan U = paras Fermi semikonduktor U fb = keupayaan semikonduktor semasa pembengkokan jalur Dalam semikonduktor jenis-n, paras Ferminya adalah lebih tinggi daripada redoks elektrolit. Ini menyebabkan pengaliran elektron dari semikonduktor ke elektrolit untuk mencapai keseimbangan. Lapisan cas ruang positif atau lapisan penyusutan terhasil. Jalur konduksi dan jalur valensi semikonduktor akan membengkok supaya terbentuk sawar keupayaan yang menghalang pengaliran elektron dari semikonduktor ke elektrolit untuk bergabung semula dengan lohong. Ketebalan lapisan penyusutan (W) diberikan oleh persamaan (El Zayat et al. 2002) W = (2εε o V B /qn) 1/2 (2.8) dengan N = ketumpatan pembawa cas q = cas elektron (1.6 x C) ε = pemalar dielektrik semikonduktor ε o = ketelusan ruang bebas semikonduktor V B = pembengkokan jalur semikonduktor 2.10 PARAMETER SEL FOTOELEKTROKIMIA Arus yang terhasil di dalam litar diberikan oleh persamaan (Parker 1994) I = I o [eksp(q(v + IR)/kT)-1] (2.9)

33 33 dengan I = arus di dalam peranti I o = arus tepu q = cas elektronik T = suhu mutlak k = pemalar Boltzman (1.38 x JK -1 ) V = voltan yang dibekalkan kepada peranti R = rintangan siri litar Arus litar-pintas (I sc ) adalah arus yang mengalir dalam litar luar apabila V = 0. Maka persamaan di atas menjadi Isc = I o [eksp(q(i sc R)/kT)-1] (2.10) Ketumpatan arus litar-pintas (J sc ) diberi oleh hubungan J sc = I/A (2.11) dengan A ialah luas sel fotoelektrokimia yang disinari cahaya. Voltan litar-terbuka (V oc ) adalah voltan yang merentasi peranti apabila I = 0. Ianya diberikan oleh persamaan V oc = (kt/q) ln [(I sc /I o ) + 1] (2.12) V oc juga ditakrifkan sebagai perbezaan paras Fermi (E F ) semikonduktor dengan keupayaan redoks elektrolit. Rajah 2.7 menunjukkan ciri arus-voltan sel fotoelektrokimia dalam gelap dan di bawah pencahayaan. Sel fotoelektrokimia dikatakan bersifat rektifikasi iaitu membenarkan arus mengalir dengan satu arah sahaja sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 2.7. Manakala parameter sel fotoelektrokimia seperti arus litar-pintas (I sc ) dan voltan litar-terbuka (V oc ) yang masing-masingnya diperolehi dari penggalan paksi arus dan voltan yang ditunjukkan dalam Rajah 2.7. Sementara itu, I m dan V m masing-masing merujuk kepada arus maksimum dan voltan maksimum yang diperolehi dari segiempat kuasa maksimum sebagaiman ditunjukkan di dalam Rajah 2.7.

34 34 Arus V m V oc Voltan I m I sc Di dalam gelap Di bawah pencahayaan Rajah 2.7 Ciri arus-voltan sel fotoelektrokimia di dalam gelap dan di bawah pencahayaan Faktor pengisi (FF) diberikan oleh hubungan FF = (I m V m )/(I sc V oc ) (2.13) Kecekapan penukaran (η) oleh hubungan η = I sc V oc FF/P in (2.14) dengan P in merupakan kuasa masukan yang bersamaan dengan hasil darab keamatan cahaya (mw/cm 2 ) dengan luas sel fotoelektrokimia yang disinari cahaya (cm 2 )

35 35 BAB III KAEDAH KAJIAN 3.1 PENGENALAN Bab ini memperihalkan penyediaan dan pencirian lapisan Cu 2 O yang membentuk sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit serta kajian prestasi sel. Ia terbahagi kepada beberapa bahagian. Bahagian 3.2 membincangkan bahan yang diperlukan dalam penyediaan filem nipis Cu 2 O. Bahagian membincangkan perihal penyediaan larutan kuprum(ii) asetat dan Bahagian membincangkan teknik penyediaan filem nipis Cu 2 O dengan lebih terperinci. Bahagian membincangkan kaedah pencirian analisis unsur, struktur, morfologi permukaan dan sifat optik filem nipis Cu 2 O. Bahagian 3.5 membincangkan fabrikasi dan kajian sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit. 3.2 PENYEDIAAN FILEM NIPIS Cu 2 O Bahan Serbuk kuprum(ii) asetat, Cu(C 2 H 3 O 2 ) 2 diperolehi dari Sigma Aldrich dengan ketulenan %. Pelarut isopropil alkohol diperolehi dari Systerm Chemar dengan ketulenan 99.7%. Pelarut dietaholamina (DEA) diperolehi dari Merck dan surfaktan yang digunakan ialah glukupon yang diperolehi dari Fluka bagi penyediaan larutan sol-gel. Substrat kaca yang disaluti lapisan indium timah oksida (ITO) digunakan sebagai substrat dalam penyediaan filem Cu 2 O. Serbuk poli(vinil klorida) (PVC) dan garam litium perklorat (LiClO 4 ) yang diperolehi dari Aldrich dan pelarut tetrahidrofuran (THF) dengan ketulenan 99.9% dan propilena karbonat (PC) dengan

36 36 ketulenan 99.9% yang diperolehi dari Fluka bagi penyediaan elektrolit polimer PVC- LiClO 4. Serbuk grafit diperolehi dari R&M Chemicals dengan ketulenan 99.5% dan slaid kaca sebagai substrat untuk penyediaan elektrod negatif. Polietilena glikol (PEG, M w = 400) diperolehi dari R&M Chemicals dengan berat molekul dalam julat g/mol manakala etilena glikol (EG) diperolehi dari Chemar mempunyai berat molekul g/mol Penyediaan Larutan Kuprum(II) Asetat Serbuk kuprum(ii) asetat, Cu(C 2 H 3 O 2 ) 2 digunakan sebagai bahan pemula untuk mensintesis filem nipis kuprus oksida. Berat molekulnya ialah gmol -1. Takat leburnya ialah 115 ºC dengan ketumpatan 1.88 g/ml. Bahan ini berbentuk serbuk berwarna biru kehijauan yang halus dan disimpan di dalam desikator setiap masa bagi mengekalkan keadaan keringnya. Kuprum(II) asetat dilarut dalam isopropil alkohol dan dikacau secara berterusan menggunakan pengacau bermagnet. Kestabilan larutan diperoleh dengan menambah beberapa titis diethanolamin (DEA) ke dalam larutan semasa proses pengacauan. DEA ditambah bagi melarutkan kuprum(ii) asetat secara menyeluruh dan mempercepatkan proses pelarutan kuprum(ii) asetat di dalam isopropil alkohol. Larutan yang diperoleh adalah cerah dan lutsinar. Jika DEA tidak digunakan, larutan dengan mendakan biru terhasil dan larutan sol tidak terbentuk. Kemudian sedikit glukupon ditambah ke dalam larutan dan dikacau selama 24 jam. Glukupon ditambah supaya filem yang terhasil melitupi keseluhan substrat dan filem tidak mengecut apabila disepuh lindap pada suhu C. Dua jenis agen penurunan digunakan iaitu polietilina glikol (PEG) dan etilina glikol (EG). Kuantiti PEG dan EG yang digunakan adalah berbeza iaitu 0.8M dan 1.0M. PEG bertindak sebagai agen penurunan dan larut di dalam air, metanol, benzena dan diklorometana. Selain itu, PEG dan EG bertindak sebagai agen kebolehbasahan yang membantu dalam pembentukan filem bagi menghasilkan filem yang tidak retak dan melitupi keseluruhan substrat. Ia boleh bergabung menjadi molekul hidrofobik bagi menghasilkan surfaktan yang tak ionik. EG juga bertindak sebagai agen penurunan dan agen kebolehbasahan bagi proses penghasilan filem nipis Cu 2 O. Akhir sekali, larutan itu ditapis menggunakan penapis bersaiz 0.45 μm sebelum proses

37 37 penyalutan berputar dilakukan. Proses penyepuh lindapan adalah dalam atmosfera 5% H % N 2 bagi membantu proses penurunan Cu kepada Cu 2 O. Terdapat lima set sampel filem Cu 2 O yang disediakan dengan mengubah agen penurunan dan kemolaran agen penurunan yang dicampurkan dalam larutan yang telah disediakan. Sampel dilabel berdasarkan agen penurunan dan kemolaran agen penurunan yang digunakan seperti yang disenaraikan di dalam Jadual 3.1. Dalam kajian ini, PEG dan EG digunakan juga sebagai agen kebolehbasahan. Ia juga merupakan surfaktan yang digunakan untuk merendahkan atau mengurangkan tekanan permukaan cecair bagi memudahkan larutan tersebar di atas permukaan sesuatu pepejal seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.1. Berdasarkan Rajah 3.1(a) tekanan permukaan rendah membolehkan larutan melekat denagn baik apabila disalut putar menggunakan alat penyalutan berputar dan seterusnya melitupi keseluruhan susbstrat dengan baik. Rajah 3.1(b) iaitu agen kebolehbasahan tidak digunakan, tekanan permukaan kurang baik dan kelekatan antara larutan dan substrat tidak kuat. θ < 90 θ = 90 Cecair Pepejal Pepejal (a) (b) Rajah 3.1 Titisan larutan sol ke atas substrat ITO, (a) dengan kehadiran agen kebolehbasahan, θ < 90 (b) tanpa agen kebolehbasahan, θ = Penyediaan Filem Cu 2 O Substrat kaca tersalut oleh lapisan filem indium timah oksida (ITO) digunakan sebagai substrat dan dipotong mengikut saiz 2.0 cm x 2.5 cm. Saiz ini dipilih adalah kerana tidak terlalu kecil dan mudah untuk dipegang.. Substrat kaca tersalut ITO dibersihkan secara mandian ultrasonik dengan larutan isopropil alkohol dan diikuti oleh aseton

38 38 masing-masing selama 1 jam. Substrat yang telah diultrasonik, dibilas menggunakan air suling dan dikeringkan. Substrat kaca tersalut ITO diletakkan di atas pentas penyalutan berputar. Sedikit amaun larutan sol-gel kuprum(ii) asetat dititiskan ke atas substrat kaca tersalut ITO dan kadar putaran ditentukan. Daripada proses salutan berputar, larutan bertukar kepada filem nipis. Kadar putaran yang digunakan adalah 1000 rpm, 2000 rpm, 3000 rpm, 4000 rpm, 5000 rpm dan 6000 rpm dan masa salutan adalah selama 40 s. Kemudian, filem dikeringkan pada suhu 250 ºC dalam udara selama 15 minit untuk menyingkirkan bahan pelarut. Proses penyalutan berputar diulangi untuk menghasilkan dua lapisan salutan. Filem yang dihasilkan kemudiannya disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C, 550 C selama 1 jam dalam atmosfera 5% H % N 2. Kadar kenaikan suhu sepuh lindap adalah pada 5 C/minit. Selain PEG dan EG yang bertindak sebagai agen penurunan, atmosfera hidrogen juga digunakan bagi membantu proses penurunan pada filem bagi menghasilkan filem Cu 2 O. Semasa proses penurunan berlaku, Cu 2+ diturunkan kepada Cu +. Filem yang telah disepuh lindap disejukkan perlahan-lahan ke suhu bilik dengan kadar penyejukan 5 C/minit. Setelah itu, filem dikeluarkan dari relau untuk diuji. Jadual 3.1 Senarai bahan tambah yang digunakan dalam larutan yang disediakan Sampel Agen kebolehlarutan Agen penurunan Surfaktan A DEA - Glukupon B DEA PEG (0.8M) Glukupon C DEA PEG (1.0M) Glukupon D DEA EG (0.8M) Glukupon E DEA EG (1.0M) Glukupon 3.3 PENCIRIAN FILEM Cu 2 O Filem yang telah diperolehi dan disepuh lindap dikaji menggunakan beberapa teknik iaitu; pembelauan sudut gesel sinar-x (GAXRD), mikroskopi electron imbasan pancaran medan (FESEM), spektroskopi ultraungu-boleh nampak (UV-VIS).

39 Pembelauan Sudut Gesel Sinar-X (GAXRD) Filem Cu 2 O yang diperolehi dikaji menggunakan teknik pembelauan sudut gesel sinar-x (GAXRD) untuk penentuan fasa sampel filem Cu 2 O. Analisis GAXRD ini bertujuan untuk memastikan filem yang telah disepuh lindap adalah berfasa tunggal, iaitu fasa Cu 2 O sahaja. Model peralatan yang digunakan ialah Bruker D8 Advance dengan sumber sinaran CuK α dijanakan pada 40 kv dan arus 40 ma dan memancarkan jarak gelombang Å. Sudut belauan, 2θ adalah dari 20 hingga 60 dengan halaju imbasan 0.02 per saat. Pembelauan sudut gesel sinar-x merupakan satu teknik yang digunakan bagi mengkaji struktur sesuatu bahan. Analisis struktur bahan boleh diperolehi daripada corak spektrum belauan yang memberikan puncakpuncak nyata yang dikenali sebagai puncak Bragg. Daripada puncak yang terhasil, sesuatu bahan itu dapat dilihat sama ada berfasa tunggal atau sebaliknya. Setiap puncak nyata yang terhasil dari pantulan satah-satah mempunyai nilai indeks Miller (hkl) yang tertentu dan analisis struktur dapat dijalankan kerana puncak ini memberikan taksiran satah bagi sesuatu struktur hablur Mikroskopi Elektron Imbasan Pancaran Medan (FESEM) Pencirian morfologi permukaan filem Cu 2 O dikaji dengan menggunakan mikroskopi elektron imbasan pancaran medan (FESEM) model Supra 55VP menggunakan mod elektron sekunder. Pembesaran 30 K digunakan untuk melihat imej permukaan filem. Mikrograf FESEM diambil pada keratan rentas dan pandangan atas. Purata saiz butiran filem Cu 2 O dianggarkan dari mikrograf FESEM. Ketebalan filem dianggar berdasarkan keratan rentas mikrograf FESEM yang diambil Spektroskopi Ultraungu-Boleh Nampak (UV-VIS) Sifat optik bagi filem Cu 2 O dikaji menggunakan spektroskopi ultraungu-boleh nampak (UV-VIS) model Shimadzu 160A di antara julat jarak gelombang nm. Spektrum penyerapan dan pantulan dicerap oleh spektroskopi ultraungu-boleh nampak bagi menentukan jurang tenaga optik. Nilai penyerapan dan pantulan ditukarkan kepada pekali penyerapan, α berdasarkan persamaan 2.1 dan 2.2 di

40 40 Bahagian 2.3. Nilai jurang tenaga (E g ) ditentukan melalui graf h 2 melawan hv dan garis lurus digaris pada graf sehingga menyentuh paksi-x. Nilai pada paksi-x itu adalah nilai jurang jalur tenaga (E g ). 3.4 FABRIKASI DAN KAJIAN SEL-FOTOELEKTROKIMIA ITO/Cu 2 O/ PVC-LiClO 4 /ELEKTROD NEGATIF Penyediaan dan Pencirian Elektrod Negatif Slaid kaca digunakan sebagai substrat bagi elektrod negatif. Grafit dipilih sebagai elektrod negatif. Substrat kaca dipotong mengikut saiz yang dikehendaki dan dibersihkan secara berurutan menggunakan larutan dekon selama 1 jam dan larutan asid dikromat selama 3 jam di dalam mandian ultrasonik. Kemudian, substrat kaca di bilas dengan air suling dan dikeringkan. Serbuk grafit perlu disediakan dalam bentuk pelet yang berdiameter 13 mm dengan purata saiz partikel < 50 μm pada tekanan 10.0 ton selama 10 minit. Filem grafit disediakan melalui teknik penyejatan alur. Kadar pemendapan yang digunakan ialah 2Ǻ/s dengan ketebalan 1500 Ǻ. Filem grafit disediakan di atas substrat kaca pada suhu bilik (Yusri 2005). Filem grafit ini digunakan sebagai elektrod negatif sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC- LiClO 4 /elektrod negatif. Filem grafit yang telah diperolehi dikaji menggunakan mikroskopi elektron imbasan pancaran medan (FESEM) untuk melihat morfologi permukaan filem grafit. Purata saiz butiran filem grafit dianggarkan daripada mikrograf FESEM Penyediaan dan Pencirian Elektrolit Polimer PVC-LiClO 4 PVC yang dipilih adalah dari jenis berat molekul tinggi iaitu dengan mer CH 2 CH(Cl)- yang diperolehi dari Sigma Aldrich. Berat mer VC ialah gmol -1. Takat leburnya ialah 275 C dengan ketumpatan 1400 kgm -3. Bahan ini dalam bentuk serbuk putih yang halus dan boleh digunakan secara terus tanpa sebarang penulenan. Garam LiClO 4 juga dalam bentuk butiran halus berwarna putih dan boleh terus digunakan. Garam ini disimpan dalam desikator setiap masa bagi memastikan keadaan keringnya. Berat molekulnya ialah gmol -1 dengan ketumpatan 2428 kgm -3.

41 41 Pelarut tetrahidrofluran (THF) yang digunakan mempunyai berat molekul gmol - 1 dan takat didih 108 C dengan ketulenan 99.9%. THF merupakan pelarut organik yang tidak polar. Ia dipilih sebagai pelarut bahan PVC (Xuping et al. 1999). PC dipilih sebagai pelarut garam LiClO 4 dan juga sebagai pengisi untuk meningkatkan kekonduksian elektrolit polimer PVC-LiClO 4 (Xiong et al. 2003). Pelarut PC yang digunakan mempunyai berat molekul gmol -1 dan takat lebur -55 C dengan ketulenan 99 %. Proses penyediaan sampel filem elektrolit polimer dimulakan dengan mengira berat PVC dan LiClO 4 yang hendak digunakan gram PVC dan 0.48 gram garam LiClO 4 dipilih kerana mempunyai kekonduksian elektrolit yang tinggi dalam julat suhu bilik hingga 100 C (Yusri 2005). PVC dilarutkan secara perlahan-lahan di dalam ml larutan THF. Larutan dikacau menggunakan pengacau bermagnet dengan kelajuan sederhana bagi membantu proses pelarutan. Garam LiClO 4 dilarutkan di dalam 6.60 ml larutan PC. Kedua-dua larutan tersebut dikacau beberapa jam sehingga ia homogen. Kemudian, larutan LiClO 4 di dalam PC dicampurkan dengan larutan PVC di dalam THF dan campuran larutan dikacau semalaman dengan menggunakan pengacau bermagnet dengan kelajuan sederhana. Larutan yang telah homogen dituang ke atas plat kaca dan ditinggalkan semalaman bagi membuang pelarut THF keseluruhannya. Kepingan elektrolit polimer yang terbentuk dikeringkan di dalam ketuhar vakum pada 100 C selama 24 jam bagi membuang saki baki THF yang masih tertinggal. Filem elektrolit polimer yang telah kering sepenuhnya disimpan di dalam desikator bagi memastikan keadaan keringnya. Filem elektrolit polimer yang telah kering dicirikan dengan menggunakan teknik impedans spektroskopi untuk mengkaji kekonduksian ion. Kekonduksian ion pukal diukur dengan menggunakan penganalisis resonans berfrekuensi tinggi (HFRA) model 1255 dalam julat 0.1 Hz ke 1 MHz. Sebelum pengukuran dilakukan, filem elektrolit polimer dipotong mengikut bentuk cakera dengan diameter 16.0 mm dan diberikan tekanan sebesar 2.0 tan metrik bagi mendapatkan ketebalan yang sekata. Ketebalan filem elektrolit polimer PVC-LiClO 4 adalah 58 mm. Filem elektrolit polimer tadi diapit di antara dua elektrod keluli tanpa karat. Kekonduksian ion (σ) pukal dikira menggunakan persamaan (Kumar dan Sampath 2003)

42 42 σ = l/r b A (3.1) dengan R b ialah rintangan pukal yang diperolehi dari spektrum impedans. l dan A masing-masingnya merupakan ketebalan dan luas keratan rentas filem. Persamaan ini digunakan untuk mengira kekonduksian elektrolit polimer yang disediakan Fabrikasi Sel Fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit Sel fotoelektrokimia difabrikasikan menggunakan substrat kaca yang diselaputi lapisan indium timah oksida (ITO) sebagai elektrod positif. Bahan sel fotoelektrokimia ialah filem Cu 2 O yang dimendapkan ke atas lapisan ITO dengan menggunakan kaedah sol-gel salutan berputar sebagaimana yang telah dibincangkan di dalam Bahagian 3.3. Sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/elektrolit/grafit difabrikasikan menggunakan PVC yang didopkan dengan garam LiClO 4 sebagai elektrolit pepejal. Proses penyediaan elektrolit secara terperinci telah dibincangkan pada Bahagian Filem grafit di atas substrat kaca digunakan sebagai elektrod negatif. Terdapat perbezaan elektronegatifan antara elektrod positif (ITO) dan elektrod negatif (grafit). Kelektronegatifan ITO dan grafit adalah masing-masing berpadanan dengan 0.3 dan 2.6 berdasarkan skala Pauli. Perbezaan kelektronegatifan yang tinggi di antara elektrod positif dan elektrod negatif akan menghasilkan keupayaan yang tinggi dan seterusnya menghasilkan pengaliran arus yang tinggi di dalam peranti. Filem elektrolit polimer dipotong dalam bentuk segiempat tepat supaya ia dapat meliputi luas permukaan filem Cu 2 O. Kemudian elektrolit polimer diapit di antara filem Cu 2 O dan filem grafit sebagaimana yang ditunjukkan dalam Rajah 2.4. Bagi mengelakkan substrat kaca yang diselaputi ITO dan grafit pecah, bahagian atas dan bawah peranti dilapik dengan lapisan getah. Di bahagian atas lapisan getah ditebuk lubang berdiameter 1.0 cm sebagai luas kawasan yang disinari cahaya. Akhirnya, peranti dikepil dengan klip bagi membolehkan setiap lapisan menyentuh satu sama lain supaya sentuhan antara muka sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit dapat dioptimumkan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.2.

43 43 Klip ITO/Cu 2 O Rajah 3.2 Gambarajah sel fotoelektrokimia dikepil menggunakan klip Kajian Prestasi Sel Fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit Kajian prestasi sel fotoelektrokimia dilakukan dalam dua keadaan iaitu dalam keadaan gelap dan cerah. Pencirian arus-voltan di dalam keadaan gelap di lakukan bagi melihat sama ada sel fotoelektrokimia menunjukkan sifat rektifikasi, iaitu membenarkan arus mengalir dalam satu arah pincang sahaja. Pengukuran dilakukan pada suhu bilik 25 C menggunakan pensimulasi suria SMU W dan komputer peribadi. Peranti diletakkan di dalam kotak hitam bagi meminimumkan cahaya yang diserap oleh peranti. Peranti dikenakan voltan dari -6 V hingga 6 V dan ciri arus-voltan akan dipaparkan pada komputer peribadi. Litar pengukuran arus-voltan dalam keadaan gelap ditunjukkan di dalam Rajah 3.3. Pencirian arus-voltan di dalam keadaan cerah dilakukan di bawah sinaran cahaya lampu merkuri (xenon) yang berkeamatan 100 mwcm -2. Kedudukan antara lampu dengan peranti ditetapkan untuk semua peranti. Litar pengukuran arus-voltan di bawah pencahayaan ditunjukkan di dalam Rajah 3.4. Arus yang diperolehi di bawah pencahayaan dibahagikan dengan luas peranti yang disinari iaitu cm 2 bagi mendapatkan ketumpatan arus. Parameter fotovoltan seperti ketumpatan arus litar-pintas (J sc ) dan voltan litar-terbuka (V oc ) masing-masing diperolehi dari penggalan paksi ketumpatan arus dan voltan lengkung ketumpatan arus-voltan di bawah pencahayaan.

44 44 Sel fotoelektrokimia Sumber voltan Komputer Rajah 3.3 Litar pengukuran arus-voltan di dalam keadaan gelap cahaya Sel fotoelektrokimia A ammeter V voltmeter Rintangan beban Rajah 3.4 Litar pengukuran arus-voltan di bawah pencahayaan

45 45 BAB IV KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 4.1 PENGENALAN Bab ini membincangkan hasil pencirian filem Cu 2 O yang disediakan melalui kaedah penyalutan berputar sol-gel dengan dua bahan tambahan yang berlainan iaitu polietilina glikol (PEG, M w = 400) dan etilina glikol (EG). Filem yang terhasil daripada enam kadar putaran salutan, disepuh lindap pada tiga suhu yang berlainan iaitu 350 C, 450 C dan 550 C. Filem yang terhasil digunakan untuk memfabrikasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit. Ia terbahagi kepada lima bahagian. Bahagian 4.2 membincangkan pencirian filem bagi lima sampel yang berlainan bahan tambahan dan kepekatan bahan tambahan. Sampel-sampel dilabelkan seperti dalam Jadual 3.1. Bahagian 4.3 membincangkan pencirian elektrolit polimer pepejal PVC- LiClO 4 yang disediakan melalui kaedah penuangan larutan. Bahagian 4.4 membincangkan pencirian filem grafit yang dimendapkan di atas substrat kaca menggunakan kaedah penyejatan alur elektron. Bahagian 4.5 membincangkan hasil kajian prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit. Bahagian membincangkan prestasi sel fotoelektrokimia di dalam gelap. Bahagian membincangkan mekanisma kesan fotovoltan sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC- LiClO 4 /grafit. Bahagian membincangkan prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit di bawah pencahayaan dan kesan saiz butiran dan ketebalan filem terhadap prestasi sel fotoelektrokimia.

46 PENCIRIAN FILEM Cu 2 O Pencirian Filem bagi Sampel A Filem nipis Cu 2 O telah disediakan dengan kaedah penyalutan berputar sol-gel pada enam kadar putaran berbeza seperti yang telah dinyatakan di Bahagian dan dilabel sebagai sampel A kerana tiada bahan tambahan yang digunakan semasa penyediaan larutan sol. Setelah melalui proses penyalutan berputar, filem-filem ini disepuh lindap pada tiga suhu yang berbeza iaitu 350 C, 450 C dan 550 C di dalam atmosfera 5% H % N 2 selama satu jam. Berdasarkan kajian pembelauan sinar-x ke atas filem nipis Cu 2 O menunjukkan terdapat kesesuaian nilai-nilai sudut 2θ yang terbentuk dengan nilai-nilai rujukan pada kad JCPDS, iaitu untuk menentukan kekisi sampel. Rajah 4.1 menunjukkan difraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x bagi filem nipis yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C bagi sampel A yang disalut putar pada 1000 rpm. Sampel A yang disepuh lindap pada suhu 350 C dan 450 C menunjukkan difraktogram pembelauan sinar-x yang berfasa tunggal Cu 2 O yang berstruktur kubus dan dikenali juga sebagai mineral kuprit (JCPDS ). Puncak-puncak yang wujud diindeks dengan indeks Miller (hkl). Terdapat dua puncak belauan Cu 2 O yang berpadanan dengan (111) dan (200). Tiada fasa substrat indium timah oksida (ITO) yang wujud kerana sudut gesel sinar-x yang kecil dan hanya boleh menusuk masuk beberapa nanometer ke dalam sampel (Omote dan Harada 2000). Oleh itu, tidak terdapat puncak belauan bagi substrat yang digunakan. Keamatan juga meningkat apabila suhu ditingkatkan daripada 350 C kepada 450 C. Ray (2001) melaporkan penghasilan Cu 2 O berfasa tunggal pada suhu sepuh lindap 360 C melalui kaedah penyalutan celup sol-gel menggunakan kuprik klorida sebagai bahan pemula. Ini menunjukkan bahawa suhu sepuh lindap 350 C dan 450 C di dalam atmosfera 5% H % N 2 selama satu jam adalah suhu yang sesuai bagi menghasilkan filem nipis Cu 2 O berfasa tunggal. Pembentukan Cu 2 O secara termodinamik melibatkan penurunan Cu(Ac) 2 kepada Cu 2 O seperti yang ditunjukkan dalam tindak balas pengoksidaan-penurunan oleh persamaan seimbang (4.1) bagi penurunan kuprik (Cu 2+ ) kepada pengoksidaan asetat (CH 3 COO - ) dan diberi seperti berikut

47 CH3COO 4H2O 8Cu 2H2CO3 Cu 7H (4.1) Selepas ion Cu 2+ diturunkan kepada ion Cu +, terdapat tiga kebarangkalian keadaan bagi ion Cu + iaitu membentuk kuprus hidroksida (CuOH) dan terurai kepada Cu 2 O atau penurunan selanjutnya akan membentuk logam kuprum (Cu) berdasarkan tindak balas (4.2) kerana keupayaan penurunan yang negatif bagi atom Cu (E 0 Cu+/Cu= -2.7V). 2 2Cu Cu Cu (4.2) Pemalar keseimbangan bagi persamaan (4.2) ialah 10 6 dan hanya sedikit Cu + boleh wujud dalam larutan melainkan ia distabilkan oleh agen pengkompleksan (Baes dan Mesmer 1976, Chen et al. 2003). Apabila sampel A yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu 550 C, difraktogram pembelauan sinar-x menunjukkan CuO berfasa tunggal dengan enam puncak belauan iaitu (110), (002), (-111), (111), (200) dan (020). Kajian ini lebih menumpukan kepada penghasilan filem nipis Cu 2 O. Bagi sampel A yang disepuh lindap pada 550 C, fasa Cu 2 O tidak wujud adalah kerana suhu sepuh lindap yang terlalu tinggi boleh menyebabkan filem Cu 2 O mengalami proses pengoksidaan dari Cu 2 O kepada CuO. Terdapat juga kajian yang berjaya menghasilkan filem Cu 2 O berfasa tunggal walaupun suhu sepuh lindap yang digunakan agak tinggi (Armelao et al. 2003). Keadaan ini berlaku disebabkan oleh faktor-faktor lain seperti atmosfera sepuh lindap sampel yang sesuai atau tempoh sepuh lindap yang cukup untuk filem Cu 2 O terbentuk. Tempoh sepuh lindap selama satu jam adalah cukup bagi membentuk filem Cu 2 O pada suhu sepuh lindap pada 350 C dan 450 C. Armelao et al. (2003) melaporkan penghasilan filem nipis Cu 2 O pada suhu sepuh lindap yang berbeza. Dalam kajiannya, filem nipis Cu 2 O yang berfasa tunggal dihasilkan pada suhu sepuh lindap 900 C selama lima jam dalam atmosfera nitrogen. Ini membuktikan suhu sepuh lindap, atmosfera dan tempoh sepuh lindap memainkan peranan penting bagi menghasilkan filem yang berfasa tunggal.

48 48 CuO [(002), (-111)] CuO [(111), (200)] Keamatan (u.a) CuO (110) CuO (020) (c) Cu 2 O (111) Cu 2 O (200) (b) (a) (darjah) Rajah 4.1 Difraktogram sinar-x bagi filem A yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap selama 1 jam dalam atmosfera 5% H % N 2 pada suhu (a) 350 C, (b) 450 C dan (c) 550 C Rajah 4.2 menunjukkan keratan rentas mikrograf FESEM yang menunjukkan lapisan sampel yang disepuh lindap pada 350 C, filem Cu 2 O di sebelah atas, diikuti oleh filem ITO dan substrat kaca. Kesemua lapisan ini wujud dalam sampel filem Cu 2 O yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C.

49 49 Rajah menunjukkan mikrograf FESEM sampel A yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C dalam atmosfera 5% H % N 2. Kadar salutan putaran yang digunakan adalah dalam julat rpm. Didapati bahawa pada Rajah 4.3, bentuk butiran adalah berbentuk piramid bersegi empat pada kadar putaran rpm dan berubah bentuk kepada bentuk sfera pada kadar putaran rpm. Ini berlaku disebabkan oleh kadar putaran salutan yang semakin meningkat. Saiz butiran juga berubah dengan kadar salutan putaran seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.6. Purata bentuk dan saiz butiran bagi Rajah 4.3 (e) dan (f) pada suhu 350 C adalah paling kecil dan seragam. Ini menunjukkan pertumbuhan butiran secara terma adalah perlahan (Ruiz et al. 2003) dan juga kadar putaran salutan yang tinggi, iaitu 6000 rpm yang menghasilkan anggaran saiz butiran ~80 nm. Filem Cu 2 O ITO Kaca Rajah 4.2 Keratan rentas mikrograf FESEM filem Cu 2 O yang disepuh lindap pada 350 C selama 1 jam

50 50 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.3 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel A yang disepuh lindap pada suhu 350 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Rajah 4.4 menunjukkan mikrograf bagi sampel yang disepuh lindap pada suhu 450 C dengan kadar putaran salutan berbeza. Bentuk butiran adalah piramid bersegi empat bagi kadar putaran salutan rpm. Bentuk butiran tidak berubah untuk putaran salutan rpm walaupun suhu sepuh lindap ditingkatkan kepada 450 C. Morfologi filem adalah sekata dan menutupi keseluruhan substrat. Dari mikrograf FESEM yang ditunjukkan dalam Rajah 4.5, bentuk butiran adalah seperti rantaian yang tidak sekata dan tidak menutupi keseluruhan substrat. Keadaan ini berlaku disebabkan oleh suhu sepuh lindap ditingkatkan kepada 550 C yang membentuk filem CuO dan juga berlaku proses penggabungan butiran filem secara

51 51 mendadak. Ini menunjukkan suhu sepuh lindap 550 C adalah tidak sesuai untuk pembentukan filem bagi sampel A. Oleh itu, sampel A yang disepuh lindap pada suhu 550 C tidak sesuai digunakan untuk fabrikasi sel fotoelektrokimia kerana filem tidak menutupi substrat dan sentuhan antaramuka filem-elektrolit adalah kurang berbanding suhu C. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.4 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel A yang disepuh lindap pada suhu 450 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

52 52 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.5 Mikrograf FESEM filem nipis CuO bagi sampel A yang disepuh lindap pada suhu 550 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Dari Rajah 4.6, didapati saiz butiran berubah-ubah dengan kadar putaran salutan dan juga suhu sepuh lindap. Saiz butiran yang paling kecil dihasilkan pada kadar putaran salutan 5000 rpm pada suhu sepuh lindap 350 C iaitu sekitar ~ 60 nm. Manakala filem yang mempunyai saiz butiran yang paling besar iaitu sekitar ~180 nm, kadar putaran salutan dan suhu sepuh lindap ialah 2000 rpm dan 550 C. Secara keseluruhan, purata saiz butiran filem Cu 2 O adalah kecil pada suhu sepuh lindap 350 C dan meningkat apabila suhu sepuh lindap ditingkatkan kepada C. Butiran yang bersaiz kecil akan membentuk liang yang banyak. Ini akan memudahkan

53 o C 450 o C 550 o C 180 Purata saiz butiran (nm) Kadar putaran salutan (rpm) ion yang bersaiz kecil seperti Li + dari elektrolit untuk bergerak dengan jumlah yang banyak di permukaan filem Cu 2 O. Rajah 4.6 Perubahan purata saiz butiran dengan kadar putaran salutan bagi sampel A yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Rajah 4.7 menunjukkan perubahan ketebalan filem yang dikira daripada keratan rentas FESEM dengan kadar putaran salutan bagi sampel yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C. Didapati ketebalan filem menurun dengan peningkatan kadar putaran salutan. Apabila kadar putaran salutan tinggi, larutan sol yang dititiskan ke atas substrat ITO banyak tersebar ke dinding alat penyalutan berputar. Ini menyebabkan hanya sedikit larutan sol yang membentuk filem.

54 54 Ketebalan filem memainkan peranan penting dalam fabrikasi sel fotoelektrokimia. Ketebalan filem yang rendah akan mengurangkan jarak antara partikel yang aktif dan substrat, seterusnya akan meningkat pemindahan cas pada permukaan substratelektrod dan elektrod-elektrolit (Sauvage et al. 2005). Sifat-sifat optik filem nipis Cu 2 O berfasa tunggal dikaji seperti kadar penyerapan, peratus pancaran dan juga jurang jalur tenaga pada jarak gelombang nm menggunakan spektrofotometer ultraviolet-cahaya nampak. Rajah 4.8 menunjukkan perubahan penyerapan pada jarak gelombang nm bagi sampel A yang disepuh lindap pada 350 C dan 450 C. Penyerapan bagi filem yang disepuh lindap pada 550 C tidak ditunjukkan kerana filem yang terhasil tidak sekata dan tidak menutupi keseluruhan substrat dan fasa yang wujud, CuO tidak dikaji dalam penyelidikan ini. Penyerapan yang tinggi dihasilkan oleh filem yang disalut putar pada 1000 rpm. Ini adalah kerana kadar putaran salutan yang rendah menghasilkan filem yang berketebalan tinggi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.7. Pada kadar putaran salutan 1000 rpm, pemegang substrat bergerak terlalu perlahan dan larutan sol yang dititiskan ke atas substrat tidak banyak tersebar ke dinding alat penyalutan berputar. Oleh yang demikian, filem yang terhasil lebih tebal berbanding dengan kadar putaran salutan yang lebih tinggi. Penyerapan filem nipis Cu 2 O yang tinggi berupaya menghasilkan sel fotoelektrokimia yang baik. Penyerapan cahaya yang tinggi adalah faktor yang penting dalam fabrikasi sel suria. Apabila filem disepuh lindap pada 350 C, didapati penyerapan adalah sekitar 1.4 (unit arbitari) pada jarak gelombang 400 nm dengan ketebalan sekitar 113 nm yang diperolehi dari mikrograf keratan rentas FESEM. Pada kadar putaran salutan yang tinggi iaitu 6000 rpm, penyerapan pada jarak gelombang 400 nm adalah sekitar 0.5 (unit arbitari) dengan ketebalan 67 nm. Berlaku penurunan penyerapan apabila ketebalan menurun. Ini menunjukkan penyerapan berkait rapat dengan ketebalan filem yang terhasil. Kadar putaran salutan merupakan parameter yang penting untuk menghasilkan filem yang baik. Penyerapan yang rendah disebabkan oleh penyerakan cahaya yang tinggi. Penyerakan cahaya yang tinggi disebabkan oleh pengurangan saiz butiran dan penambahan taburan saiz nanokristal (Liu et al. 2005).

55 o C 450 o C 550 o C Ketebalan filem (nm) Kadar putaran salutan (rpm) Rajah 4.7 Perubahan ketebalan filem dengan kadar putaran salutan bagi sampel A yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Kebanyakan sebatian menyerap cahaya ultraungu atau cahaya nampak. Penyerapan dan pancaran mempunyai hubung kait yang mana apabila kesemua cahaya melalui satu bahan tanpa sebarang penyerapan, peratus pancaran adalah 100 %. Jika kesemua cahaya diserap, peratus pancaran adalah sifar. Rajah 4.9 menunjukkan peratus pancaran cahaya bagi filem yang disepuh lindap pada 350 C dan 450 C. Peratus pancaran bagi filem yang disalut putar pada 1000 rpm pada jarak gelombang 750 nm adalah sekitar 40% berbanding bagi filem yang disalut putar pada 6000 rpm, peratus pancaran adalah tinggi sekitar 70%. Peratus pancaran rendah adalah kerana penyerapan yang tinggi.

56 56 Secara keseluruhan, filem yang dihasilkan pada kadar putaran salutan 1000 rpm mempunyai penyerapan yang tinggi dengan ketebalan yang tinggi. Bagi memfabrikasi sel fotoelektrokimia, penyerapan dan ketebalan filem yang tinggi adalah faktor yang penting. Oleh itu, filem yang sesuai digunakan bagi memfabrikasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit adalah filem yang disalut putar pada 1000 rpm kerana penyerapan yang tinggi dan peratus pancaran rendah. Oleh itu, nilai jurang tenaga (E g ) yang dikaji hanya pada kadar putaran salutan 1000 rpm sahaja bagi memastikan nilai yang diperolehi adalah dalam julat yang boleh diterima pakai untuk bahan Cu 2 O. Rajah 4.10 menunjukkan plot (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi memperolehi nilai E g bagi filem nipis Cu 2 O yang disalut putar pada 1000 rpm. Berdasarkan graf, nilai jurang tenaga (E g ) diambil menggunakan kaedah pelunjuran garis lurus pada paksi-x. Nilai E g ialah bagi Rajah 4.10 (a) ialah 2.05 ev dan Rajah 4.10 (b) 2.24 ev yang mana filem disepuh lindap masing-masing pada suhu 350 C dan 450 C. Julat jurang tenaga bagi Cu 2 O yang berstruktur kubik adalah sekitar ev (Balamurugan dan Mehta 2001; Musa et al. 1998; Richardson et al. 2001). Oleh itu, nilai yang diperolehi dari kajian ini masih dalam julat filem Cu 2 O. Hasil kajian menunjukkan sampel A yang disepuh lindap pada 350 C dan 450 C mempunyai struktur hablur kubus yang berfasa tunggal Cu 2 O dengan purata saiz butiran yang kecil dan kadar penyerapan cahaya yang tinggi.

57 (a) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) (b) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.8 Perubahan penyerapan dengan jarak gelombang bagi filem A pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

58 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (a) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (b) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.9 Perubahan peratus pancaran dengan jarak gelombang bagi filem A pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

59 59 60 (a) 50 hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) 60 (b) ( hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) Rajah 4.10 Plot (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem A pada kadar putaran salutan 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

60 Pencirian Filem bagi Sampel B Sampel B dihasilkan dengan menambah bahan tambahan polietilena glikol (0.8M PEG, berat molekul, M w = 400, H(OCH 2 CH 2 ) n OH) ke dalam larutan sol bagi mengkaji kesan bahan tambahan ini terhadap filem yang dihasilkan. Polietilena glikol (PEG) merupakan satu jenis surfaktan polimer yang boleh menghasilkan banyak ruang aktif di sekeliling nukleus Cu 2 O dalam keadaan alkali (Qu et al. 2008) dan juga bertindak sebagai agen penurunan. Kadar putaran yang digunakan adalah pada 1000 rpm, 2000 rpm, 3000 rpm, 4000 rpm, 5000 rpm dan 6000 rpm. Filem yang terhasil disepuh lindap pada tiga variasi suhu yang berbeza iaitu 350 C, 450 C dan 550 C. Berdasarkan kajian pembelauan sinar-x ke atas filem nipis Cu 2 O menunjukkan terdapat kesesuaian nilai-nilai sudut 2θ yang terbentuk dengan nilai-nilai rujukan pada kad JCPDS. Rajah 4.11 menunjukkan difraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x bagi filem nipis yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C. Filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C menunjukkan difraktogram pembelauan sinar- X yang berfasa tunggal Cu 2 O dan dikenali juga sebagai mineral kuprit (JCPDS ). Puncak-puncak yang wujud diindeks dengan indeks Miller (hkl). Terdapat dua puncak belauan Cu 2 O yang berpadanan dengan (111) dan (200) bagi filem yang disepuh lindap pada 450 C. Juga didapati wujud fasa lain iaitu fasa CuO dengan nilai keamatan yang rendah. Apabila suhu ditingkatkan kepada 550 C, tiada fasa Cu 2 O yang wujud. Hanya fasa CuO yang wujud dengan tujuh puncak belauan. Terdapat puncak-puncak yang berkembar iaitu puncak (002) dengan (-111) dan puncak (111) dengan (200). Penambahan PEG ke dalam larutan sol memberi kesan kepada filem yang disepuh lindap pada 450 C yang mana apabila PEG tidak ditambah, fasa tunggal Cu 2 O terhasil. Berdasarkan kajian Lockman et al. (2007), terdapat hanya satu puncak belauan iaitu (002) yang wujud dengan kehadiran PEG. Suhu sepuh lindap juga memberi kesan kepada kewujudan fasa sesuatu bahan. Terdapat kajian yang mana apabila filem disepuh lindap pada 400 C, fasa yang wujud adalah kuprik oksida (CuO) dan kuprus oksida (Cu 2 O) dan apabila suhu ditingkatkan kepada 450 C, hanya fasa CuO yang wujud (Ray 2001). Selain itu, CuO terbentuk disebabkan oleh pengoksidaan Cu 2 O pada suhu yang tinggi (Mahalingam et al. 2005).

61 61 CuO [(002), (-111)] CuO [(111), (200)] Keamatan (u.a) CuO (110) Cu 2 O (111) Cu 2 O (200) CuO (020) (c) CuO (202) (b) (a) (darjah) Rajah 4.11 Difraktogram sinar-x bagi filem B yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap selama 1 jam dalam atmosfera 5% H % N 2 pada suhu (a) 350 C, (b) 450 C dan (c) 550 C Dari mikrograf FESEM yang ditunjukkan pada Rajah 4.12, 4.13 dan 4.14, filem dihasilkan pada kadar putaran salutan dalam julat rpm. Kadar putaran salutan yang berbeza menghasilkan morfologi permukaan yang berbeza. Bagi filem yang disepuh lindap pada 350 C, bentuk butiran berubah-ubah dengan kadar putaran salutan. Morfologi permukaan yang mempunyai saiz butiran yang paling kecil dan sekata adalah filem yang terhasil pada kadar putaran 1000 rpm seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.12 (a). Pada Rajah 4.12 (b) didapati bentuk butiran adalah seperti gumpalan sfera dan berubah kepada bentuk piramid bersegi empat bagi Rajah 4.12 (c).

62 62 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.12 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel B yang disepuh lindap pada suhu 350 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

63 63 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.13 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel B yang disepuh lindap pada suhu 450 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Kehadiran PEG memberi sifat kebolehbasahan yang baik dan menghasilkan filem yang homogen (Lockman et al. 2007). Sifat kebolehbasahan yang baik menghasilkan tekanan permukaan yang rendah supaya wujud ikatan atau kelekatan antara larutan-substrat yang baik seperti yang diterangkan di Bahagian Morfologi permukaan filem yang ditunjukkan dalam Rajah 4.13 (a)-(f) mempunyai bentuk butiran piramid bersegi empat dan hampir sekata. Filem yang disepuh lindap pada suhu 550 C (Rajah 4.14) menunjukkan filem yang tidak menutupi keseluruhan substrat dan tidak sekata. Keadaan ini membuktikan juga kehadiran fasa tunggal CuO seperti yang ditunjukkan oleh diffraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x di dalam

64 64 Rajah 4.11 (c) disebabkan oleh suhu sepuh lindap yang tinggi dan ketidakseragaman permukaan filem yang tidak menutupi keseluruhan permukaan substrat. Ia membentuk seperti rantaian dengan saiz butiran yang tidak sekata. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.14 Mikrograf FESEM filem nipis CuO bagi sampel B yang disepuh lindap pada suhu 550 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Rajah 4.15 menunjukkan perubahan saiz butiran dengan kadar putaran salutan dan juga suhu sepuh lindap yang digunakan semasa proses pembentukan filem. Selain kadar putaran salutan, suhu sepuh lindap juga memainkan peranan penting dalam pembentukan saiz butiran. Saiz butiran meningkat dengan peningkatan suhu sepuh lindap (Mahalingam et al. 2005).

65 Purata saiz butiran (nm) Rajah Kadar putaran salutan (rpm) 350 o C 450 o C 550 o C Perubahan purata saiz butiran dengan kadar putaran salutan bagi sampel B yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Berdasarkan Rajah 4.15, filem yang terhasil pada suhu sepuh lindap 350 C mempunyai purata saiz butiran yang kecil (< 100 nm) berbanding dengan suhu 450 C dan 550 C. Pada kadar putaran 1000 rpm, saiz butiran yang terhasil apabila filem disepuh lindap pada 350 C adalah yang paling kecil iaitu sekitar 25 nm. Rajah 4.16 menunjukkan perubahan ketebalan filem Cu 2 O dengan kadar putaran salutan. Didapati ketebalan filem berubah dengan ketara dengan kadar putaran salutan. Ketebalan filem Cu 2 O menurun dengan peningkatan kadar putaran salutan dari rpm.

66 o C 450 o C 550 o C 350 Ketebalan filem (nm) Kadar putaran salutan (rpm) Rajah 4.16 Perubahan ketebalan filem dengan kadar putaran salutan bagi sampel B yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Daripada pencirian ultraungu-cahaya nampak, penyerapan dan peratus pancaran mempunyai hubung kait yang mana penyerapan yang tinggi akan menghasilkan peratus pancaran yang rendah seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.17 dan Berdasarkan graf perubahan penyerapan, pada jarak gelombang di antara nm, hanya sedikit penyerapan yang berlaku.

67 67 Rajah 4.19 menunjukkan graf (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem Cu 2 O dan filem dwifasa Cu 2 O dan CuO. Didapati nilai jurang tenaga bagi filem Cu 2 O berfasa tunggal ialah 2.32 ev. Bagi filem dwifasa Cu 2 O dan CuO nilai jurang tenaga adalah 2.05 ev. Nilai jurang tenaga bagi CuO adalah ev (Balamurugan dan Mehta 2001). Ogwu et al. (2005b) telah melaporkan dalam kajiannya bahawa nilai jurang tenaga (E g ) meningkat dengan penurunan ketebalan filem Cu 2 O. Bagi filem Cu 2 O, nilai E g = 2.32 ev mempunyai ketebalan filem 395 nm untuk filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C, manakala filem yang disepuh lindap pada 450 C, dwifasa Cu 2 O dan CuO yang wujud mempunyai nilai E g = 2.05 ev dengan ketebalan filem 114 nm. Dalam kajian ini, tidak wujud hubung kait jurang tenaga dengan ketebalan filem kerana fasa filem yang wujud tidak sama seperti yang ditunjukkan dalam Rajah Nilai E g = 2.05 ev adalah nilai filem Cu 2 O bersama CuO. Nilai E g ini mungkin lebih besar jika hanya fasa tunggal Cu 2 O yang wujud. Nilai jurang tenaga tidak hanya bergantung kepada ketebalan filem tetapi juga pada peratusan pancaran cahaya yang wujud semasa elektron teruja dari jalur valensi ke jalur konduksi. Selain itu, terdapat juga faktor lain yang mengawal ketebalan filem seperti kelikatan larutan sol semasa proses penyediaan filem dan fasa yang wujud juga mempengaruhi nilai jurang tenaga. Nilai jurang tenaga bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 550 C tidak dikira kerana filem yang terbentuk adalah CuO berfasa tunggal. Kajian ini lebih menumpukan kepada filem Cu 2 O berfasa tungggal bagi melihat potensi Cu 2 O dalam sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4.

68 (a) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) 3.0 (b) Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.17 Perubahan penyerapan dengan jarak gelombang bagi filem B pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

69 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (a) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (b) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.18 Perubahan peratus pancaran dengan jarak gelombang bagi filem B pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

70 70 10 (a) 8 hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (hv) 60 (b) 50 hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) Rajah 4.19 Plot (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem B pada kadar putaran salutan 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

71 Pencirian Filem bagi Sampel C Pencirian filem Cu 2 O bagi sampel C adalah sama seperti sampel yang lain. Penyediaan larutan sol sampel C adalah berbeza dengan sampel yang lain apabila kepekatan PEG (M w = 400) diubah dari 0.8M kepada 1M bagi mengkaji kesan kepekatan bahan tambahan terhadap struktur, morfologi permukaan filem dan juga sifat optik filem yang terhasil. Rajah 4.20 menunjukkan difraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x bagi filem nipis yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C. Peningkatan kepekatan PEG menghasilkan filem yang berfasa tunggal Cu 2 O pada suhu sepuh lindap 350 C dan 450 C dan dikenali juga sebagai mineral kuprit (JCPDS ). Puncak-puncak yang wujud diindeks dengan indeks Miller (hkl). Terdapat dua puncak belauan Cu 2 O yang berpadanan dengan (111) dan (200). Pada suhu sepuh lindap 550 C juga terdapat puncak belauan Cu 2 O dengan satah (200). Suhu sepuh lindap 550 C adalah tidak sesuai bagi menghasilkan fasa tunggal Cu 2 O. Ini disebabkan oleh proses pengoksidaan Cu 2 O kepada CuO berlaku pada suhu tinggi di dalam atmosfera 5% H % N 2. Tetapi ada sesetengah keadaan filem Cu 2 O berfasa tunggal boleh dihasilkan pada suhu sepuh lindap yang tinggi bergantung kepada parameter-parameter yang digunakan seperti yang telah dibincangkan dalam Bahagian 2.5. Tempoh penyepuh lindapan yang digunakan juga salah satu parameter yang perlu diberi perhatian. Dalam kajian ini, tempoh penyepuh lindapan yang digunakan adalah selama satu jam. Pada suhu sepuh lindap 550 C, yang wujud adalah fasa tunggal CuO. Kaedah yang sesuai untuk mengawal saiz partikel adalah dengan mengubah kepekatan penstabilan bahan polimer atau kumpulan penudungan (capping). Secara umumnya, salah satu jangkaan yang mana kepekatan permukaan-kumpulan penudungan meningkat, saiz partikel akan meningkat, akhirnya pertumbuhan dan penukleusan monomer tambahan terhalang oleh agen penudungan (capping). Pengurangan kepekatan PEG menghasilkan partikel yang lebih kecil dengan bentuk kubus yang seragam. Partikel lebih besar dengan kehadiran kepekatan PEG yang tinggi (Gou dan Murphy (2004).

72 72 CuO [(002), (-111)] CuO [(111), (200)] Keamatan (u.a) CuO (110) CuO (-202) Cu 2 O (200) CuO (020) (c) Cu 2 O (111) (b) (a) (darjah) Rajah 4.20 Difraktogram sinar-x bagi filem C yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap selama 1 jam dalam atmosfera 5% H % N 2 pada suhu (a) 350 C, (b) 450 C dan (c) 550 C Dalam kajian ini, tindak balas yang berlaku yang mana Cu(II) dalam pelarut telah dicampur dengan PEG menghasilkan larutan biru gelap yang lutsinar setelah dikacau selama 24 jam bagi memastikan keseluruhan PEG telah bercampur secara homogen. Bagi menghasilkan larutan yang sesuai kuantiti bahan tambahan, pelarut dan agen kebolehlarutan perlu dikawal. Jika kurang agen kebolehlarutan, larutan yang terhasil adalah mendakan biru muda. Dengan terbentuknya mendakan biru muda ini, larutan sol tidak terbentuk.

73 73 Berdasarkan mikrograf FESEM yang ditunjukkan pada Rajah 4.21, 4.22 dan 4.23, didapati morfologi permukaan filem adalah berbentuk piramid bersegi empat. Rajah 4.21 (e) menunjukkan morfologi permukaan yang berbeza dari yang lain iaitu terbentuk kepulauan di atas permukaan filem yang licin dan dikenali sebagai pertumbuhan Volmer-Weber. Pertumbuhan Volmer-Weber merupakan salah satu mod pertumbuhan untuk filem logam di atas permukaan substrat. Fenomena ini diterangkan secara mendalam oleh Ohring Yang et al. (2008b) telah menghasilkan partikel kecil di atas permukaan kasar dan geronggang Cu 2 O yang berbentuk nano-kubus dan berubah kepada permukaan licin berbentuk nano-kubus melalui mekanisma pematangan Ostwald. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.21 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel C yang disepuh lindap pada suhu 350 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

74 74 Filem yang terhasil pada suhu sepuh lindap 550 C apabila kepekatan PEG ditingkatkan menunjukkan morfologi permukaan yang lebih baik berbanding dengan morfologi permukaan yang ditunjukkan dalam Rajah Walaupun fasa tunggal Cu 2 O tidak wujud pada suhu sepuh lindap ini, filem ini menutupi keseluruhan substrat. Berdasarkan Rajah 4.24, di dapati purata saiz butiran berubah dengan kadar putaran salutan. Setiap kadar putaran salutan memberi purata saiz butiran yang berbeza. Apabila kadar putaran salutan ditingkatkan, didapati purata saiz butiran meningkat. Pada suhu sepuh lindap 350 C dengan kadar putaran salutan 1000 rpm, purata saiz butiran bagi filem B sekitar 25 nm meningkat kepada 110 nm bagi filem C. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.22 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel C yang disepuh lindap pada suhu 450 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

75 75 Apabila kepekatan PEG ditingkatkan, rantaian PEG lebih panjang bagi membolehkan oksigen masuk sepenuhnya kepada kutub persekitaran yang berair, berlaku penurunan melalui perantaraan hidroksida dan pertumbuhan Cu 2 O terbentuk pada banyak titik yang rapat-rapat dan akan bercantum membentuk permukaan yang licin (Gou dan Murphy 2004). Ini menyebabkan saiz butiran lebih besar berbanding dengan kepekatan PEG yang rendah digunakan. Terdapat juga kajian yang melaporkan saiz butiran bergantung kepada suhu tindak balas dan kepekatan bahan tambahan (Luo et al. 2005). (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.23 Mikrograf FESEM filem nipis CuO bagi sampel C yang disepuh lindap pada suhu 550 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

76 76 Penurunan kereaktifan PEG adalah sensitif terhadap berat molekul dan PEG dengan berat molekul yang tinggi mempunyai rantai polimer yang lebih panjang. Dalam kajian Sharma dan Bhatti (2008) penggunaan PEG (Mw = 8000) boleh menghasilkan Cu 2 O 1D nano-wayar dengan ikatan dan kualiti nano-wayar yang baik. Qu et al. (2008) juga menggunakan PEG (Mw = 2000) dalam penghasilan Cu 2 O nanosesungut. Dengan kehadiran PEG (Mw = 2000) sebagai pencontoh (template), mikrostruktur yang terhasil adalah oktahedra yang tak seragam o C 450 o C o C Purata saiz butiran (nm) Kadar putaran salutan (rpm) Rajah 4.24 Perubahan purata saiz butiran dengan kadar putaran salutan bagi sampel C yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Perubahan ketebalan filem terhadap kadar putaran salutan ditunjukkan dalam Rajah Filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C dengan kadar putaran 1000

77 77 rpm lebih tebal berbanding dengan filem yang disepuh lindap pada suhu 450 C dan 550 C. Ketebalan filem didapati menurun secara mendadak apabila kadar putaran salutan ditingkatkan kepada 2000 rpm dan menurun kepada ~50 nm pada kadar putaran 6000 rpm o C 450 o C 550 o C 200 Ketebalan filem (nm) Kadar putaran salutan (rpm) Rajah 4.25 Perubahan ketebalan filem dengan kadar putaran salutan bagi sampel C yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Rajah 4.26 dan Rajah 4.27 menunjukkan penyerapan dan pancaran bagi filem C yang dicerap pada jarak gelombang nm. Penyerapan meningkat secara mendadak pada jarak gelombang < 550 nm dan filem yang disalut putar pada 1000 rpm menunjukkan penyerapan yang lebih tinggi berbanding dengan kadar putaran salutan yang lain. Peratusan pancaran berkadar songsang dengan penyerapan. Jika

78 78 penyerapan tinggi, peratus pancaran rendah seperti yang ditunjukkan pada Rajah 4.27 yang mana peratus pancaran bagi filem yang disalut putar pada 1000 rpm adalah rendah. Filem yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu 350 C penyerapan lebih tinggi berbanding filem yang disepuh lindap pada 450 C. Ini dapat dilihat dengan jelas di dalam Rajah 4.26, pada jarak gelombang 400 nm, nilai penyerapan bagi filem pada kadar putaran 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu 350 C adalah melebihi 1.5 (unit arbitari) manakala filem pada kadar putaran 1000 rpm yang disepuh lindap pada suhu 450 C mempunyai nilai penyerapan kurang daripada 1.5 (unit arbitari). Ini menunjukkan filem pada kadar putaran 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu 350 C mempunyai ketebalan lebih tinggi berbanding filem pada kadar putaran 1000 rpm yang disepuh lindap pada suhu 450 C seperti yang ditunjukkan dalam Rajah Penyerakan cahaya yang berlaku semasa proses pancaran berkurang dengan berkurangnya kecacatan dalam bahan dan ini dapat meningkatkan peratusan pancaran (Reddy et al. 2006). Graf (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) ditunjukkan dalam Rajah 4.28 bagi filem pada kadar putaran 1000 rpm yang disepuh lindap pada suhu 350 C dan 450 C. Secara asas, kawasan penyerapan bagi pekali penyerapan optik (α) dikira menggunakan persamaan 2.1 (Sunds 1955). Berdasarkan graf (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv), garis lurus yang terbaik yang diperolehi menunjukkan nilai jurang tenaga filem Cu 2 O. Nilai jurang tenaga yang diperolehi bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C adalah 2.02 ev dan meningkat kepada 2.3 ev apabila suhu sepuh lindap ditingkat kepada 450 C. Nilai jurang tenaga ini masih dalam julat yang boleh diterima pakai bagi filem Cu 2 O. Pengiraan nilai jurang tenaga melibatkan ketebalan filem dan juga peratus pancaran. Ini membuktikan nilai jurang tenaga mempunyai hubung kait dengan ketebalan filem. Dari hasil kajian ini, menunjukkan nilai jurang tenaga meningkat dengan penurunan ketebalan filem. Nilai jurang tenaga diperolehi berdasarkan hasil pengiraan yang melibatkan pancaran, panjang gelombang dan juga ketebalan filem seperti yang dinyatakan dalam persamaa 2.1 dan 2.2. Berdasarkan persamaan 2.1, didapati nilai pekali penyerapan berkadar songsang dengan nilai ketebalan yang memberikan nilai jurang tenaga meningkat, ketebalan adalah rendah. Ini telah dibuktikan oleh Ogwu et al. (2005b) yang melaporkan penghasilan filem

79 79 Cu 2 O melalui kaedah percikan reaktif seperti yang telah dibincangkan dalam Bahagian (a) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) (b) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.26 Perubahan penyerapan dengan jarak gelombang bagi filem C pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

80 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (a) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (b) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.27 Perubahan peratus pancaran dengan jarak gelombang bagi filem C pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

81 81 60 (a) 50 ( hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) 20 (b) 15 hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) Rajah 4.28 Plot (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem C pada kadar putaran salutan 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

82 Pencirian Filem bagi Sampel D Proses penyediaan filem D adalah sama seperti filem A, B dan C tetapi berbeza dari segi bahan tambahan yang digunakan. Bagi penyediaan filem D, bahan tambahan yang digunakan adalah etilina glikol (0.8M EG). EG digunakan secara meluas dalam proses poliol bagi logam dan logam oksida kerana mempunyai keupayaan penurunan yang tinggi dan secara relatif ia mempunyai takat didih yang tinggi (197 C). Proses permulaan penyediaan, kumpulan asetat Cu(Ac) 2 digantikan dengan pembentukan unit rantaian EG seperti pengkoordinatan Cu-glikolat kompleks melalui ikatan kovalen Cu-O atau Cu-OH (Jiang et al. 2004). EG juga bertindak sebagai pelarut dan mempunyai sifat pengkoordinatan yang baik. Terdapat dua mekanisma pembentukan Cu 2 O yang boleh diterima pakai iaitu penurunan EG yang diketahui mempunyai kuasa penurunan yang baik. Fievet et al. (1989) mengkaji tindak balas penurunan EG. Berdasarkan kajiannya, asetaldehid (CH 3 CHO) terhasil daripada proses dehidrasi EG pada suhu tinggi yang mana CH 3 CHO berupaya menderma atom hidrogen (H) dan bertindak sebagai agen penurunan (Wan et al. 2004) seperti yang ditunjukkan oleh persamaan (4.4) di dalam Rajah Oleh itu, penukleusan partikel Cu 2 O terjadi melalui penurunan Cu(Ac) 2 dengan atom hidrogen yang baru terhasil yang ditunjukkan oleh persamaan (4.4). Mekanisma kedua ialah pengkoordinatan EG yang mana EG bertindak sebagai ligand untuk membentuk seperti rantai- koordinasi kompleks dengan kation Cu(II) semasa pemanasan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah Dalam kajian Liu et al. (2009), EG memainkan tiga peranan utama iaitu bertindak sebagai pelarut yang menyediakan medium kepada reagen, keduanya ia bertindak sebagai agen penurunan untuk menurunkan Cu(Ac) 2 kepada Cu 2 O dan akhirnya mengkoordinasi kation Cu(II) untuk membentuk rantaian seperti prapenanda. Cu 2 O menghablur dalam struktur kuprit. Ia mempunyai sistem isometri dan ruang simetri yang dijelaskan sebagai O 4 k-p n3m. Berdasarkan kristalografi, unit sel hablur adalah kubik dengan parameter kekisi 4.267Å. Ia mengandungi empat ion kuprum (Cu + ) dan lima ion oksigen (O - 2 ). Pengkoordinasi Cu + adalah dua kali oksigen tetrahedron. Penggabungan hablur biasanya berlaku melibatkan bentuk yang mudah seperti kubus, oktahedron dan dodekahedron rombus (Kostov 1968).

83 83 (4.3) Rajah 4.29 Persamaan tindak balas antara EG dan Cu(Ac) 2 Koordinasi (4.4) Pempolimeran Rajah 4.30 Ilustrasi skema kompleks lelurus yang terbentuk antara EG dan Cu(Ac) 2 Berdasarkan kajian pembelauan sinar-x ke atas filem D menunjukkan terdapat kesesuaian nilai-nilai sudut 2θ bagi Cu 2 O dengan nilai-nilai rujukan pada kad JCPDS. Rajah 4.31 menunjukkan difraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x bagi filem nipis yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C. Filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C menunjukkan difraktogram GAXRD yang berfasa tunggal Cu 2 O dan dikenali juga sebagai mineral kuprit (JCPDS ) dengan struktur hablurnya adalah kubus. Puncak yang wujud diindeks dengan indeks Miller (hkl). Terdapat dua puncak belauan Cu 2 O yang berpadanan dengan (111) dan (200). Peningkatan suhu sepuh lindap kepada 450 C, dwifasa Cu 2 O dan CuO wujud. Secara umumnya, kuprum oksida mempunyai dua fasa utama bahan semikonduktor dengan jurang tenaga yang sempit. Kuprum oksida ini pula terbahagi kepada dua iaitu kuprus oksida (Cu 2 O) dan kuprik oksida (CuO) dengan nilai jurang tenaga yang berbeza (Balamurugan dan Mehta 2001; Musa et al. 1998; Richardson et al. 2001). Fasa

84 84 tunggal Cu 2 O terbentuk apabila berlaku pengoksidaan Cu dan akan berubah kepada fasa CuO disebabkan oleh pengoksidaan pada suhu yang tinggi seperti yang diterangkan oleh Musa et al dalam Bahagian Pada suhu sepuh lindap 350 C difraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x menunjukkan filem yang berfasa tunggal Cu 2 O dan apabila suhu sepuh lindap ditingkatkan kepada 550 C, Cu 2 O bertindak balas dengan oksigen dan membentuk fasa CuO melalui tindakbalas 4.6 (Serin et al. 2005). Ini menunjukkan kuasa penurunan EG yang kuat dengan peningkatan suhu. (Liu et al. 2009) Cu O O 4CuO (4.5) Penyediaan filem melalui proses penyalutan berputar sol-gel dalam julat rpm melibatkan daya emparan dinamik dan penyejatan pelarut dinamik. Mikrostruktur gel yang poros terbentuk selepas proses putaran salutan dan filem terbentuk selepas melalui proses penyejatan dan penyepuh lindapan. Pembentukan filem tidak hanya bergantung kepada mikrostruktur gel tetapi proses penyepuh lindapan juga memainkan peranan penting (Vorotilov et al. 1995). Dari mikrograf FESEM yang ditunjukkan dalam Rajah 4.32, 4.33 dan 4.34, purata saiz butiran filem Cu 2 O yang disepuh lindap pada tiga suhu yang berlainan dianggarkan menggunakan skala yang terdapat di penjuru kiri sebelah bawah dan ditunjukkan dalam Rajah Purata saiz butiran filem bagi filem yang disepuh lindap pada 350 C adalah < 97 nm dalam julat putaran salutan rpm. Purata saiz butiran menurun dengan peningkatan kadar putaran salutan. Manakala purata saiz butiran meningkat dengan peningkatan suhu sepuh lindap. Apabila suhu sepuh lindap meningkat, saiz butiran yang kecil mula bercantum antara satu dengan yang lain membentuk saiz butiran yang lebih besar (Ghosh et al. 2000). Ini dapat ditunjukkan dalam Rajah 4.35 yang mana purata saiz butiran meningkat kepada 160 nm pada kadar putaran salutan 1000 rpm apabila suhu ditingkatkan kepada 550 C.

85 85 CuO [(002), (-111)] CuO [(111), (200)] CuO (110) Keamatan (u.a) Cu 2 O (111) Cu 2 O (200) CuO (-202) (c) (b) (a) (darjah) Rajah 4.31 Difraktogram sinar-x bagi filem D yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap selama 1 jam dalam atmosfera 5% H % N 2 pada suhu (a) 350 C, (b) 450 C dan (c) 550 C Berdasarkan kajian Huang et al. (2009), EG digunakan sebagai pelarut dan agen penurunan dan berjaya menghasilkan Cu 2 O nano-partikel dengan purata saiz butiran 85 nm. Prakash et al. (2007) menggunakan EG dalam proses poliol dan menghasilkan partikel Cu 2 O yang bergumpal dengan bentuk sfera yang seragam dan saiz butiran dalam julat nm. Sun et al. (2008) menggunakan kepekatan KCl yang berbeza dan menghasilkan morfologi permukaan filem Cu 2 O yang berbeza melalui kaedah elektroenapan. Hasil kajian ini menunjukkan penggunaan EG memberi kesan kepada purata saiz butiran.

86 86 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.32 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel D yang disepuh lindap pada suhu 350 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

87 87 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.33 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel D yang disepuh lindap pada suhu 450 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Dari Rajah 4.36, didapati ketebalan filem berubah-ubah dengan kadar putaran salutan kerana kelajuan pemegang substrat menyebabkan larutan sol yang dititiskan ke atas susbtrat tersebar ke arah dinding alat putaran salutan. Apabila kadar putaran salutan ditingkatkan, kelajuan juga meningkat. Ini menyebabkan lebih banyak larutan sol tersebar ke dinding alat putaran salutan dan akhirnya ketebalan filem yang terbentuk adalah rendah. Manakala ketebalan filem meningkat dengan peningkatan suhu sepuh lindap. Ini disebabkan oleh purata saiz butiran juga meningkat pada suhu sepuh lindap yang tinggi.

88 88 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.34 Mikrograf FESEM filem nipis CuO bagi sampel D yang disepuh lindap pada suhu 550 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Penggabungan butiran kecil secara mendadak terjadi pada suhu yang tinggi menghasilkan saiz dan ketebalan filem yang tinggi. Vorotilov et al. (1995) menghasilkan ketebalan filem yang menurun dengan peningkatan kadar putaran salutan dalam julat rpm. Menurut kajiannya, perubahan ketebalan filem berlaku disebabkan pemindahan haba di antara cecair sol dan substrat pada suhu sepuh lindap yang tinggi.

89 o C 450 o C 550 o C 140 Purata saiz butiran (nm) Kadar putaran salutan (rpm) Rajah 4.35 Perubahan purata saiz butiran dengan kadar putaran salutan bagi sampel D yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Ketebalan filem yang disepuh lindap pada tiga suhu menghasilkan kadar penyerapan yang berbeza. Apabila ketebalan filem meningkat, penyerapan juga meningkat. Rajah 4.37 dan 4.38 menunjukkan perubahan penyerapan dan peratus pancaran pada jarak gelombang nm. Ketebalan filem pada kadar putaran 1000 rpm menunjukkan ketebalan yang paling tinggi (Rajah 4.36) dan penyerapan juga tinggi seperti yang ditunjukkan di dalam Rajah Filem yang disepuh lindap pada suhu 450 C mempunyai puncak bonggol pada 340 nm merujuk kepada perpindahan Cu daripada paras-d jalur valensi kepada paras yang lebih tinggi jalur konduksi (Jana dan Biswas 1997).

90 o C 450 o C 550 o C Ketebalan filem (nm) Rajah Kadar putaran salutan (rpm) Perubahan ketebalan filem dengan kadar putaran salutan bagi sampel D yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Filem Cu 2 O mempunyai sifat lutsinar yang tinggi dengan warna kekuningan dan menyerap cahaya pada jarak gelombang di bawah 600 nm (Richardson et al. 2000). Peratus pancaran yang ditunjukkan dalam Rajah 4.38 menunjukkan pancaran menurun dengan peningkatan ketebalan filem. Di dapati peratus pancaran pada jarak gelombang 500 nm adalah sekitar 10% bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C dan berkurangan kepada 5% apabila suhu ditingkatkan kepada 450 C. Ini membuktikan peningkatan suhu sepuh lindap menghasilkan ketebalan filem dan saiz butiran yang besar menyebabkan peratus pancaran semakin berkurangan. Ini disebabkan oleh penyerakan yang berlaku apabila memasuki sesuatu bahan yang mempunyai saiz butiran yang tidak sekata atau bergumpal (Yoon et al. 2000).

91 91 Rajah 4.39 menunjukkan graf (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C dan 450 C. Kadar putaran salutan 1000 rpm dipilih kerana mempunyai ketebalan filem dan kadar penyerapan yang tinggi berbanding yang lain. Nilai jurang tenaga yang diperolehi ialah 2.25 ev dan 2.16 ev bagi filem yang masing-masing disepuh lindap pada suhu 350 C dan 450 C. Filem yang mempunyai ketebalan yang tinggi, nilai jurang tenaga rendah. Peningkatan suhu sepuh lindap kepada 450 C, akan mengurangkan nilai jurang tenaga kerana terlebih pengokisdaan filem dan seterusnya mengubah fasa kuprum oksida dari Cu 2 O kepada CuO semasa proses penyepuh lindapan. Tetapi pada suhu sepuh lindap ini, wujud dwifasa iaitu Cu 2 O dan CuO seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.31 yang mana Cu 2 O tidak berubah fasa sepenuhnya kepada fasa CuO. Jurang tenaga yang sama dapat dilihat pada filem nipis Cu 2 O yang dihasilkan melalui kaedah percikan reaktif (Pierson et al. 2003).

92 (a) Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) (b) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.37 Perubahan penyerapan dengan jarak gelombang bagi filem D pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

93 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (a) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (b) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.38 Perubahan peratus pancaran dengan jarak gelombang bagi filem D pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

94 (a) hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (hv) 120 (b) ( hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) Rajah 4.39 Plot (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem D pada kadar putaran salutan 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

95 Pencirian Filem bagi Sampel E Filem E disediakan hampir sama dengan filem D, yang berlainan adalah kepekatan bahan tambahan etilina glikol (EG) yang digunakan ditingkatkan daripada 0.8M kepada 1M bagi mengkaji kesan kepekatan EG terhadap struktur, morfologi permukaan dan sifat optikal filem yang dihasilkan. Berdasarkan kajian pembelauan sinar-x ke atas filem menunjukkan terdapat kesesuaian nilai-nilai sudut 2θ yang terbentuk dengan nilai-nilai rujukan pada kad JCPDS, iaitu untuk menentukan struktur dan satah bahan. Rajah 4.40 menunjukkan difraktogram pembelauan sudut gesel sinar-x (GAXRD) bagi filem nipis yang disepuh lindap pada suhu 350 C, 450 C dan 550 C. Filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C dan 450 C menunjukkan difraktogram pembelauan sinar-x yang berfasa tunggal Cu 2 O dan dikenali juga sebagai mineral kuprit (JCPDS ). Puncak-puncak yang wujud diindeks dengan indeks Miller (hkl). Terdapat dua puncak belauan Cu 2 O yang berpadanan dengan (111) dan (200) dengan keamatan yang rendah apabila kepekatan EG ditingkatkan. Pierson et al. (2003) berjaya menghasilkan filem Cu 2 O berfasa tunggal melalui kaedah percikan reaktif pada kuasa rf 600 W. Berdasarkan kajiannya, apabila kadar oksigen ditingkatkan akan membentuk dwifasa kuprum oksida. Chandra et al. (1999) juga menghasilkan filem Cu 2 O berfasa tunggal menggunakan kaedah seperti yang digunakan oleh Pierson et al. (2003). Ini menunjukkan kewujudan sesuatu fasa itu bergantung kepada parameter penyediaan dan juga kaedah yang digunakan. Bagi mendapatkan parameter yang sesuai itu bukan satu perkara yang mudah kerana fasa atau struktur sesuatu bahan boleh berubah dengan sedikit sahaja perubahan parameter dilakukan seperti yang ditunjukkan pada Rajah 4.31 (b) dan 4.40 (b) yang mana apabila kepekatan bahan tambahan ditingkatkan sebanyak 0.2M wujud fasa tunggal Cu 2 O bagi filem yang disepuh lindap pada 450 C. Tempoh dan suhu penyepuh lindapan juga adalah parameter yang perlu diberi perhatian. Apabila suhu sepuh lindap rendah atau tempoh sepuh lindap pendek, adalah sukar untuk menurunkan kuprik asetat kepada Cu 2 O sepenuhnya. Manakala apabila suhu sepuh lindap terlalu tinggi atau masa tindak balas terlalu lama, Cu mudah terbentuk berbanding Cu 2 O (Huang et al. 2008).

96 96 CuO [(002), (-111)] CuO (110) CuO [(111), (200)] Keamatan (u.a) Cu 2 O (111) Cu 2 O (200) (c) (b) (a) (darjah) Rajah 4.40 Difraktogram sinar-x bagi filem E yang disalut putar pada 1000 rpm dan disepuh lindap selama 1 jam dalam atmosfera 5% H % N 2 pada suhu (a) 350 C, (b) 450 C dan (c) 550 C Mikrograf FESEM yang ditunjukkan dalam Rajah 4.41, 4.42 dan 4.43, menunjukkan bahawa morfologi permukaan filem yang berbeza terhasil apabila suhu sepuh lindap yang berbeza digunakan. Morfologi permukaan menunjukkan butiran yang berbentuk piramid bersegi empat dan padat seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.41 (a-c) dengan padanan kadar putaran 1000 rpm, 2000 rpm dan 3000 rpm. Apabila kadar putaran salutan ditingkatkan kepada 6000 rpm, morfologi permukaan adalah seperti poros dan tidak rata.

97 97 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.41 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel E yang disepuh lindap pada suhu 350 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Saiz butiran filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C lebih kecil berbanding apabila suhu sepuh lindap ditingkatkan kepada C seperti ditunjukkan dalam Rajah Saiz butiran bagi filem dengan bahan tambahan dengan kepekatan 1M EG lebih besar berbanding dengan kepekatan 0.8M EG digunakan. Ini menunjukkan lebih tinggi kepekatan EG lebih besar saiz butiran filem. Menurut Long et al. (2009), penggunaan pelarut yang berbeza memberi kesan kepada morfologi permukaan dan saiz butiran Cu 2 O yang berbeza. Filem yang dihasilkan pada suhu sepuh lindap 350 C dan 450 C menunjukkan morfologi permukaan yang tidak retak dan menutupi seluruh permukaan substrat. Penerokaan EG sebagai reagen

98 98 penyambungan memudahkan pembentukan filem yang tidak retak dan butiran Cu 2 O yang lebih kecil dan tidak seragam (Mo dan Chen 2001). Manakala filem yang disepuh lindap pada suhu 550 C lebih besar dan terdapat filem yang tidak menutupi permukaan substrat bergantung kepada kadar putaran yang digunakan. Kadar putaran yang tinggi iaitu 6000 rpm, morfologi permukaan filem kelihatan seperti rantaian yang bercantum. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.42 Mikrograf FESEM filem nipis Cu 2 O bagi sampel E yang disepuh lindap pada suhu 450 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm

99 99 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rajah 4.43 Mikrograf FESEM filem nipis CuO bagi sampel E yang disepuh lindap pada suhu 550 C pada kadar putaran salutan (a) 1000 rpm, (b) 2000 rpm, (c) 3000 rpm, (d) 4000 rpm, (e) 5000 rpm dan (f) 6000 rpm Mekanisma tindak balas pengoksidaan bergantung kepada kepekatan EG yang mana kepekatan EG yang tinggi mempunyai kereaktifan penurunan yang tinggi (Luo et al. 2005). Saiz dan bentuk butiran bergantung kepada suhu sepuh lindap dan juga kepekatan bahan tambahan yang digunakan manakala ketebalan filem yang ditunjukkan di dalam Rajah 4.45 menunjukkan perubahan ketebalan terhadap kadar putaran salutan yang digunakan semasa proses penyalutan berputar. Ketebalan filem menurun dengan peningkatan kadar putaran salutan. Ketebalan filem tinggi pada kadar putaran salutan yang rendah dan berlaku penyerapan yang tinggi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.46.

100 o C 450 o C 550 o C 180 Purata saiz butiran (nm) Kadar putaran salutan (rpm) Rajah 4.44 Perubahan purata saiz butiran dengan kadar putaran salutan bagi sampel E yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C Penyerapan dan peratus pancaran cahaya mempunyai hubungkait di antara satu dengan yang lain. Peningkatan penyerapan memberikan peratus pancaran cahaya yang rendah seperti yang ditunjukkan di dalam Rajah Dengan menggunakan data peratus pancaran optik, nilai jurang tenaga optik dikira menggunakan persamaan 2.1 di Bahagian 2.3 seperti yang ditunjukkan di dalam Rajah Nilai jurang tenaga optik dikira bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C dan 450 C. Bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 550 C yang mana filem yang wujud adalah CuO dan terdapat morfologi permukaan filem yang tidak menutupi keseluruhan substrat yang

101 101 mana filem tidak terbentuk dengan baik. Hasil kajian menunjukkan nilai jurang tenaga meningkat dengan peningkatan suhu sepuh lindap dari 2.02 ev kepada 2.32 ev. Penurunan pancaran cahaya seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.47 menunjukkan apabila suhu sepuh lindap ditingkatkan berlaku peningkatan kehilangan cahaya semasa penyerakan. Penyerakan berlaku kerana kekasaran permukaan yang tinggi (Al-Kuhaili 2008). Selain itu, penyerakan juga berlaku disebabkan oleh permukaan filem yang tidak sekata dan terdapat permukaan yang berbukit atau terbentuk kepulauan (Lachut et al. 2004) o C 450 o C 550 o C 160 Ketebalan filem (nm) Rajah Kadar putaran salutan (rpm) Perubahan ketebalan filem dengan kadar putaran salutan bagi sampel E yang disepuh lindap pada 350 C, 450 C dan 550 C

102 (a) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) (b) 1000 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm Penyerapan (u.a) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.46 Perubahan penyerapan dengan jarak gelombang bagi filem E pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

103 rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (a) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) rpm 2000 rpm 3000 rpm 4000 rpm 5000 rpm 6000 rpm (b) Peratus pancaran (%) Jarak gelombang, (nm) Rajah 4.47 Perubahan peratus pancaran dengan jarak gelombang bagi filem E pada kadar putaran salutan rpm yang disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

104 104 Plot yang ditunjukkan dalam Rajah 4.48 menunjukkan graf (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) meningkat dengan peningkatan suhu sepuh lindap adalah kerana pada suhu sepuh lindap yang tinggi berlaku penggabungan butiran (Ruiz et al. 2003). Penggabungan butiran menyebabkan purata saiz butiran meningkat (Rajah 4.44). Hasil kajian menunjukkan apabila purata saiz butiran kecil, nilai jurang tenaga optik adalah kecil. Manakala ketebalan yang tinggi menghasilkan nilai jurang tenaga optik yang rendah seperti yang ditunjukkan Jadual Rajah 4.1. Ini membuktikan anjakan yang berlaku dalam jurang tenaga filem nipis semikonduktor kepada tenaga yang rendah dengan ketebalan filem yang tinggi. Selain itu, saiz butiran juga mempengaruhi anjakan dalam jurang tenaga. Dalam kajian Balamurugan dan Aruna (2004) didapati apabila saiz nanopartikel lebih kecil, jurang tenaga lebih besar. Nilai jurang tenaga yang diperolehi bergantung kepada banyak faktor dan tidak dapat dibuktikan dengan jelas kerana setiap bahan mempunyai sifat yang berlainan. Jadual 4.1 Perkaitan antara ketebalan filem dan nilai jurang tenaga bagi filem yang dihasilkan pada suhu sepuh lindap dan kaedah yang berbeza Kaedah penyediaan Suhu sepuh lindap ( C) Ketebalan filem (nm) Jurang tenaga optik (ev) Rujukan Penyalutan Kajian ini berputar sol-gel Penyalutan celup Nair et al. (1999) Percikan reaktif Ogwu et al (2005a), Ogwu et al. (2005b)

105 (a) 40 ( hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) 40 (b 30 ( hv) 2 x (ev/cm) Tenaga foton (ev) Rajah 4.48 Plot (αhv) 2 melawan tenaga foton (hv) bagi filem E pada kadar putaran salutan 1000 rpm dan disepuh lindap pada suhu (a) 350 C dan (b) 450 C

106 PENCIRIAN FILEM ELEKTROLIT PVC-LiClO 4 Filem elektrolit polimer PVC-LiClO 4 disediakan melalui kaedah tuangan larutan. Filem elektrolit polimer ini disediakan dengan mendopkan 4.8 peratus berat garam LiClO 4 ke dalam bahan perumah PVC. Teknik impedans spektroskopi digunakan untuk mengkaji kekonduksian elektrolit polimer. Nilai kekonduksian yang diperolehi dari kajian ini adalah 5.0 x 10-4 Scm -1 yang mana nilainya adalah lebih tinggi berbanding dengan nilai yang diperolehi dari kajian terdahulu (Yusri 2005). Pengiraan nilai kekonduksian di lampiran A. Berdasarkan kajian Yusri (2005), kekonduksian elektrolit yang diperolehi adalah 7 x 10-6 Scm -1 bagi 4.8 peratus berat garam LiClO 4 yang digunakan dan kekonduksian menurun dengan penurunan kepada 4.2 peratus berat garam LiClO 4. Peningkatan kekonduksian elektrolit dengan peratus berat garam LiClO 4 disebabkan oleh pasangan ion yang tidak stabil yang menyebabkan ia mudah terurai. Menurut Rajendran et al. (2004), garam tak organik seperti LiClO 4 mempunyai darjah penguraian yang tinggi dan darjah pasangan ion yang rendah. Ini menyebabkan banyak ion Li + yang lincah yang meningkatkan bilangan pembawa cas di dalam elektrolit polimer PVC-LiClO 4 (Xuping et al. 1999). 4.4 PENCIRIAN FILEM GRAFIT Filem grafit telah disediakan dengan kaedah penyejatan alur elektron di atas substrat kaca pada suhu 25 C. Pemilihan suhu 25 C adalah kerana pada suhu ini purata saiz butiran yang kecil dihasilkan berbanding apabila suhu ditingkatkan yang mana pertumbuhan butiran secara terma berlaku membawa kepada proses pengabungan butiran filem grafit yang menyebabkan purata saiz butiran meningkat (Ruiz et al. 2003). Kajian morfologi permukaan filem grafit dikaji menggunakan teknik mikroskopi elektron imbasan pancaran medan (FESEM). Dari Rajah 4.49, mikrograf FESEM mempamerkan purata saiz butiran grafit yang kecil iaitu sekitar 26 nm. Ini adalah disebabkan penyediaan filem grafit di atas substrat kaca dengan menggunakan pelet yang terdiri dari serbuk grafit yang bersaiz halus. Filem grafit yang yang mempunyai purata saiz butiran yang kecil adalah terbaik untuk digunakan di dalam sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit kerana ianya menghasilkan sentuhan antara muka yang paling baik dengan elektrolit polimer PVC-LiClO 4 (Song

107 107 et al. 2005). Ini akan merendah rintangan di antara muka PVC-LiClO 4 /grafit dan membenarkan pengaliran arus yang tinggi di dalam peranti. Rajah 4.49 Mikrograf FESEM filem grafit yang dimendapkan di atas substrat kaca pada suhu 25 C 4.5 KAJIAN PRESTASI SEL FOTOELEKTROKIMIA ITO/Cu 2 O/PVC- LiClO 4 /GRAFIT Kajian prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit dilakukan ke atas setiap filem yang diputar salut pada 1000 rpm kerana mempunyai kadar penyerapan cahaya yang tinggi. Setiap filem yang pada kadar putaran salutan 1000 rpm mempunyai ketebalan filem yang berbeza seperti yang ditunjukkan dalam Rajah Hasil daripada kajian ini, dianggap filem yang mempunyai ketebalan yang tinggi akan menghasilkan sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit dengan kecekapan yang tinggi. Sampel B mempunyai filem yang berketebalan tinggi (395 nm) diikuti oleh sampel C dan E bagi filem yang disepuh lindap pada suhu 350 C. Filem yang disepuh lindap pada suhu 450 C mempunyai ketebalan filem yang rendah. Bagi melihat prestasi sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit menggunakan filem dengan ketebalan yang berbeza, sel fotoelektrokimia dikaji di dalam keadaan gelap dan di bawah pencahayaan. Setiap sampel A, B, C, D dan E yang digunakan dalam sel fotoelektrokimia ITO/Cu 2 O/PVC-LiClO 4 /grafit dilabelkan sebagai peranti A, B, C, D dan E.