1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Energi cahaya

BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah
Energi cahaya matahari dapat dikonversi menjadi energi listrik melalui suatu sistem
yang disebut sel surya. Peluang dalam memanfaatkan energi matahari masih sangat besar,
hal ini dikarenakan energi matahari sangat melimpah dan memiliki waktu penyinaran yang
panjang terutama di daerah tropis atau di daerah katulistiwa seperti indonesia. Energi surya
merupakan alternatif yang paling baik dan tepat sebagai pengganti bahan bakar fosil untuk
mengatasi krisis energi di dunia. Energi total dari matahari yang dapat diserap bumi sekitar
3 x 1024 joule, atau sekitar 10.000 kali lebih besar daripada kebutuhan energi di dunia
sekarang (Septina dll, 2007). Sel surya atau solar cell dapat digunakan untuk
memaksimalkan pemanfaatkan energi matahari yang memcapai permukaan bumi.
Sel surya yang paling banyak digunakan atau di komersialkan adalah sel surya generasi
pertama, yaitu sel surya yang berasal dari bahan dasar silikon. Namun biaya produksi
silikon yang mahal membuat biaya penggunaannya lebih mahal dari pada energi fosil.
Salah satu cara memproduksi sel surya berbiaya murah adalah dengan mengembangkan
berbagai devais dengan struktur dan material baru. Sel surya yang murah bisa dibuat dari
bahan semikonduktor organik, karena ketersediaan di alam yang melimpah sehingga dapat
di sintesis dalam jumlah besar, oleh karena itu penelitian terhadap material organik sel
surya akan terus dikembangkan (Karnjanawipagul et al, 2010).
Dye sensitized solar cell (DSSC) adalah generasi ketiga dari sel surya organik yang
menggunakan prinsip fotoelektrokimia. DSSC dapat menjadi alternatif pengganti sel surya
konvensional dari silikon. DSSC selain menggunakan material yang murah, juga mudah
dalam melakukan produksi, meskipun efisiensi masih rendah dibandingkan sel surya dari
silikon (Stathatos, 2012). Rendahnya efisiensi sel surya organik salah satunya disebabkan
oleh panjang difusi eksiton (pasangan elektron dan hole). Panjang difusi adalah jarak yang
ditempuh eksiton sebelum berekombinasi menjadi muatan bebas positif dan negatif. DSSC
tidak dapat terlepas dari pewarna (dye), dalam hal ini dye memiliki peranan penting sebagai
penyerap cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Para peneliti
1
2
mengembangkan DSSC dari pewarna yang diperoleh dari bahan organik alam seperti
ekstrak tumbuhan. Pengembangan teknologi sensitisasi dari bahan organik alam menarik
untuk dipelajari karena ketersediaan di alam yang melimpah. Molekul pewarna dari bahan
organik sangat baik untuk dijadikan bahan pembuatan devais sel surya. Pewarna alami yang
digunakan sebagai sensitizer pada DSSC tergolong ramah lingkungan, pembuatannya
mudah dan murah meskipun waktu pemakaiannya masih singkat.
Menurut Gratzel (2003) dye yang terdapat pada DSSC mempunyai fungsi sebagai donor
electron atau penghasil elektron. Saat cahaya matahari mengenai dye maka elektron yang
terdapat pada dye akan terinjeksi ke semikonduktor tipe-n (umumnya TiO2) dan akan
menimbulkan hole pada semikondutor tipe-p (dye). Penelitian dengan memakai dye dari
senyawa ruthenium complex dapat mencapai efisiensi 11,1%, sedangkan dari pewarna
organik alam efisiensinya masih lebih rendah (Chiba et al., 2006). Jumlah ruthenium
complex yang terbatas dan harganya yang mahal, membuat penelitian berkembang menuju
ke pewarna alami yang dapat diekstrak dari bunga, daun, buah, akar maupun pewarna
organik lainnya.
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa semikonduktor Titanium Dioxide (TiO2)
yang disensitisasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik dengan
efisiensi 7,1%. Solar sel ini kemudian disebut sebagai Dye-sensitized solar cell (DSSC).
Dengan seiring bertambahnya partikel TiO2 maka akan semakin banyak dye yang terikat
pada partikel TiO2, sehingga hal ini akan mempengaruhi kinerja dari sel DSSC yang dibuat.
Proses sensitisasi dilakukan dengan melakukan perendaman lapisan tipis TiO2 ke dalam dye
(zat warna) selama beberapa waktu. TiO2 digunakan dalam DSSC sebagai elektroda kerja.
TiO2 bersifat inert, tidak berbahaya, murah dan reaktif terhadap cahaya sehingga memiliki
karakteristik optik yang baik. Semikonduktor TiO2 aktif dalam rentang panjang gelombang
200 nm sampai 700 nm, dengan puncak tertinggi di daerah ultraviolet (UV).
Efisiensi sel surya dipengaruhi oleh banyak faktor, yaitu nilai fill factor, arus saat terjadi
hubungan singkat, tegangan terbuka, dan dipengaruhi juga oleh resistansi kaca konduktif.
Masalah lainnya yang mempengaruhi efisiensi adalah jenis elektrolit, luasan pendeposisian,
jenis TiO2, jumlah lapisan TiO2, jenis dye, suhu ketika pengukuran, serta lamanya
perendaman TiO2 ke dalam dye. Penggunaan logam dalam DSSC juga dapat meningkatkan
3
nilai efisiensi sel surya. Penelitian ini menggunakan logam tembaga (Cu) yang disisipkan
ke dalam dye. Tembaga dalam Sistem Periodik Unsur merupakan logam transisi golongan
IB yang memiliki nomor atom 29 dan massa atom 63,55 g/mol. Untuk penyisipan logam
Cu ke dalam elektroda kerja (lapisan TiO2), dilakukan dengan metode sputtering dapat
mencapai efisiensi 1,2%. Metode elektroplating mampu mencapai efisiensi 0,78%,
sedangkan dengan metode doctor blade dapat menghasilkan efisiensi 0,4% (Saehana et al,
2011). Metode pulse plating didapatkan efisiensi sel surya sebesar 0,147% sedangkan
dengan metode elektroplating sebesar 0,04% (Gumilar dll, 2014). Penyisipan logam
tembaga (Cu) ke dalam dye belum banyak dilakukan, sehingga penelitian ini diharapkan
dapat dijadikan acuan untuk penelitian selanjutnya.
Logam tembaga yang digunakan dalam DSSC harus disintesis terlebih dahulu, sebelum
digunakan dalam devais sel surya. Hasil sintesis tembaga mempunyai beberapa kelebihan,
diantaranya dapat digunakan sebagai material semikonduktor, tidak beracun, proses
pembuatan yang relatif lebih mudah, biaya produksi yang murah, serta memiliki celah pita
2,1 eV yang dapat digunakan untuk konversi sel surya (Oktaviani dan Astuti, 2014).
Tembaga dalam bentuk logam memiliki warna kemerah-merahan, namun lebih sering
ditemukan ketika berikatan dengan ion-ion lain seperti sulfat, sehingga memiliki warna
yang berbeda dari tembaga murni. Tembaga (II) sulfat pentahidrat (CuSO4.5H2O)
merupakan salah satu bentuk sintesis Cu yang mudah ditemukan (Alloway, 1995), dengan
warna biru cerah berkilauan.
DSSC yang dirangkai dalam penelitian ini menggunakan elektroda kerja dari TiO2 nano
partikel berukuran 21 nm, yang dideposisikan di kaca konduktif dengan menggunakan
teknik spin coating. Untuk elektrolit, digunakan elektrolit padat berbasis gel polimer PEG
(polyethylene glycol) yang mengandung pasangan redoks sebagai pengganti elektrolit cair,
dengan tujuan agar mengurangi degradasi ketika dilakukan pengujian. Sedangkan elektroda
lawan menggunakan platina yang dideposisikan di kaca konduktif menggunakan teknik
tetes. Selanjutnya DSSC dirangkai menggunakan sistem Sandwich. Penelitian dilakukan
dengan mengidentifikasi dan mengkarakterisasi berbagai dye organik alam, seperti sawi
putih, jahe merah, kayu manis, kunyit dan beras hitam. Serta melakukan variasi penyisipan
4
logam tembaga (II) sulfat pentahidrat (CuSO4.5H2O) ke dalam salah satu pewarna (dye)
organik alam yang berbahan beras hitam.
B. Rumusan Masalah
Adapun penelitian ini memiliki perumusan masalah sebagai berikut:
1. Bagaimana karakteristik absorbansi dan efisiensi berbagai dye organik alam, seperti dye
sawi putih (Brassica chinensis L.), jahe merah (Zingiber officinale var rubrum), kayu
manis (Cinnamomum zaylanicum), kunyit (Curcuma longa L.), dan beras hitam (Oriza
sativa L. indica)?.
2. Bagaimana karakteristik konduktivitas kelistrikan pada dye jahe merah (Zingiber
officinale var rubrum), kayu manis (Cinnamomum zaylanicum), kunyit (Curcuma longa
L.), dan beras hitam (Oriza sativa L. indica)?.
3. Bagaimana pengaruh penyisipan logam tembaga (Cu) ke dalam dye beras hitam (Oriza
sativa L. indica) terhadap karakteristik spektrum absorbansinya, nilai konduktivitas
kelistrikannya, struktur molekulnya, serta karakteristik arus tegangannya?.
C. Batasan Masalah
Penelitian ini dibatasi pada pengujian sifat optik (absorbansi), gugus fungsi, sifat
kelistrikan (konduktivitas), karakterisasi arus tegangan (efisiensi) dye organik alam. Serta
penyisipan logam tembaga (Cu) dalam dye beras hitam dengan berbagai variasi massa.
1. Pewarna organik alam yang digunakan berasal dari sawi putih (Brassica chinensis L.),
jahe merah (Zingiber officinale Var. Rubrum), kayu manis (Cinnamomum zaylanicum),
kunyit (Curcuma longa L.) dan beras hitam (Oryza sativa L. indica).
2. Penyisipan (doping) logam Cu hanya ke dalam dye beras hitam (Oryza sativa L. indica).
Logam Cu berasal dari tembaga (II) sulfat pentahidrat (CuSO4.5H2O), dengan variasi
konsentrasi penyisipan massa logam Cu sebesar 0,01 gram (0,002 M), 0,1 gram (0,023
M), 1 gram (0,229 M), 2 gram (0,457 M), 3 gram (0,686 M), dan 4 gram (0,914 M).
3. Metode yang digunakan untuk ekstraksi dye organik alam adalah metode maserasi, yaitu
perendaman pewarna organik menggunakan pelarut non air (non polar) atau setengah air
contohnya etanol, yang direndam dalam suhu ruang dalam waktu kurang lebih 24 jam.
5
4. Material semikonduktor yang digunakan untuk pembuatan DSSC adalah TiO2 nano
partikel berukuran 21 nm.
5. Elektroda lawan menggunakan platina (Pt) yang dideposisikan menggunakan metode
tetes pada bagian konduktif kaca Fluoride Thin Oxide (± 30 Ω/cm).
6. Elektrolit pertama yang digunakan adalah KI dan I2 yang dilarutkan dalam PEG 400,
sedangkan elektrolit kedua menggunakan NaI dan I2 yang dilarutkan dalam PEG 400.
D. Tujuan Penelitian
Adapun penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut:
1. Mengetahui karakteristik absorbansi dan efisiensi dye organik alam seperti dye sawi
putih (Brassica chinensis L.), jahe merah (Zingiber officinale var rubrum), kayu manis
(Cinnamomum zaylanicum), kunyit (Curcuma longa L.) dan beras hitam (Oryza sativa
L. indica).
2. Mengetahui karakteristik kelistrikan atau konduktivitas pada dye jahe merah (Zingiber
officinale var rubrum), kayu manis (Cinnamomum zaylanicum), kunyit (Curcuma longa
L.) dan beras hitam (Oryza sativa L. indica).
3. Mengetahui pengaruh penyisipan logam Cu ke dalam dye beras hitam (Oryza sativa L.
indica)
terhadap
karakteristik
spektrum
absorbansinya,
nilai
konduktivitas
kelistrikannya, struktur molekulnya, serta karakteristik arus tegangan (I-V).
E. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memberikan informasi mengenai karakteristik sifat optik (absorbansi), sifat kelistrikan
(konduktivitas) dan karakteristik arus-tegangan (I-V) pada dye organik alam atau dye
yang tersisipi dengan logam tembaga.
2. Memberikan informasi mengenai karakteristik ikatan molekuler (gugus fungsi) dye beras
hitam dan dye beras hitam yang disisipi dengan logam tembaga, sehingga dapat sebagai
sumber
informasi
untuk
dikembangkan
dan
diteliti
lebih
lanjut.