Pembuatan Sel Surya TiO2 Tersensitisasi Dye
advertisement
PEM MBUATA AN SEL SURYA A TiO2 TE ERSENS SITISAS SI DYE E PADAT DENG GAN EL LEKTRO OLIT PO OLIMER R HUSEIN N SLAMET T RAMDHA ANI DEPA ARTEME EN FISIKA A FAKUL LTAS MA ATEMATIK KA DAN ILMU I PE ENGETAH HUAN ALA AM INSTITUT PERTA ANIAN BO OGOR 2012 2 ABSTRAK Husein S. Ramdhani. PEMBUATAN SEL SURYA TiO2 TERSENSITISASI DYE PADAT DENGAN ELEKTROLIT POLIMER. Dibimbing oleh: Dr. Akhiruddin Maddu dan Drs. M. Nur Indro, M.Sc Telah dibuat sebuah sel surya berbasis TiO2 tersensitisasi dye menggunakan ruthenium sebagai fotosensitizer. Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich, dimana dua elektroda mengapit elektrolit polimer yang mengandung kopel redoks I-/I3-. Salah satu elektroda, yaitu elektroda kerja berupa lapisan TiO2 pada substrat kaca berlapis bahan ITO (indium tin oxide) disensitisasi dengan dye ruthenium sebagai donor elektron dalam sistem sel surya ini. Elektroda lain berupa karbon sebagai elektroda lawan. Elektrolit gel berbasis PEG (polyethylene glycol) mengandung kopel redoks I-/I3digunakan sebagai pengganti elektrolit cair pada sel fotoelektrokimia. Hasil karakterisasi XRD terhadap TiO2 yang digunakan menunjukkan bahwa struktur kristal yang terbentuk yaitu anatase dan rutile dengan perbandingan masing-masing 33% dan 67% pada pemanasan 200 oC. Dye dan TiO2 yang digunakan memiliki daerah serapan cahaya masing-masing pada panjang gelombang 500 - 575 nm dan 360 – 450 nm. Sehingga sel surya ini optimal digunakan pada cahaya dengan panjang gelombang 300 - 580 nm. Berdasarkan kurva arus - tegangan (I -V) diketahui bahwa daya yang dihasilkan sebesar 0.017 mW dengan kemampuan konversi energi matahari 0,012%. Kata kunci: sel surya, TiO2, dye, elektrolit polimer, arus-tegangan. PEMBUATAN SEL SURYA TiO2 TERSENSITISASI DYE PADAT DENGAN ELEKTROLIT POLIMER Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sajana Sains pada Departemen Fisika Oleh: HUSEIN SLAMET RAMDHANI G74060856 DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012 Judul : Pembuatan Sel Surya TiO2 Tersensitisasi Dye Padat Dengan Elektrolit Polimer Nama : Husein Slamet Ramdhani NRP : G74060856 Menyetujui Pembimbing I Pembimbing II Dr. Akhiruddin Maddu NIP. 196609071988021006 Drs. M. Nur Indro, M.Sc NIP. 1956101519870310 Mengetahui Ketua Departemen Fisika Dr. Akhiruddin Maddu NIP. 196609071988021006 Tanggal lulus: KATA PENGANTAR Alhamdulillahirrabbil’alamin. Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala izin, rahmat, kekuatan dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pembuatan Sel Surya TiO2 Tersensitisasi Dye Padat dengan Elektrolit Polimer” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) pada Departemen Fisika. Dalam penelitian ini telah dibuat sebuah sel surya berbasis TiO2 tersensitisasi dye dengan elektrolit polimer sebagai mediator redoksnya. Diharapkan dari penelitian ini dapat memberikan informasi mengenai karakteristik sel surya tersensitisasi dye dengan elektrolit polimer. Penulis memahami bahwa skripsi ini jauh dari sempurna, namun penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam penyelesaian penulisan skripsi ini, yaitu kepada: 1. Bapak Dr. Akhiruddin Maddu dan Bapak Drs. M. Nur Indro, M.Sc selaku Dosen pembimbing yang telah membimbing, mengarahkan dan senantiasa memberikan motivasi sehingga tersusunnya skripsi ini. 2. Bapak Dr. Abdul Jamil, selaku Dosen penguji atas saran dan masukannya. 3. Keluarga (Bapak, Ibu, Kakak dan Adik) terima kasih atas segala limpahan kasih sayang dan do’a yang senantiasa diberikan. 4. Staf dan laboran Departemen Fisika IPB atas semua bantuan dan kerjasamanya. 5. Tim penelitian (Mba Yani, Pandu, Wandy, Ibu Deni, Gesang, dan teman-teman biofisika) yang sama-sama merasakan suka duka saat penelitian dan saling memotivasi satu sama lain. 6. Teman-teman seperjuangan selama di IPB (Welly, Ihsan, Dimaz, Ishak, Yusuf, dan Akbar) atas segala bantuan, semangat, kebersamaan yang indah dan tak terlupakan. 7. Teman-teman fisika 43 terima kasih untuk segala bantuan, kerjasama, semangat, dan kebersamaan. 8. Rekan-rekan fisika 42, 44 dan 45 Penulis menyadari akan keterbatasan yang dimiliki. Oleh karena itu, segala kritik dan saran sangat dibutuhkan untuk mencapai hasil yang lebih baik. Bogor, 14 Januari 2012 Husein Slamet Ramdhani RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bandung pada tanggal 22 April 1988 dari Bapak Anda Gandayuda dan Ibu Nonok Rokayah. Penulis mengikuti pendidikan pada tahun 1994 di SDN Sejahtera, tahun 2000 di MTs PERSIS Tarogong Garut, tahun 2003 di SMA Hayatan Thayyibah Sukabumi. Pada tahun 2006 penulis diterima di Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI. Selama mengikuti pendidikan di IPB, penulis aktif di Kesatuan Aksi Mahasiswa Muslim Indonesia (KAMMI) IPB dan Bogor sebagai pengurus pada tahun 2006-2010, staf SDM di LDF Serum G periode 2007-2008, panitia Masa Perkenalan Fakultas (MPF) dan panitia Masa Perkenalan Departemen (MPD) tahun 2008 dan 2009. DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ......................................................................................................................................... i KATA PENGANTAR ..................................................................................................................... iv RIWAYAT HIDUP........................................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR .....................................................................................................................viii DAFTAR TABEL ............................................................................................................................ ix BAB 1 PENDAHULUAN ................................................................................................................ 1 1.1 Latar Belakang ........................................................................................................................ 1 1.2 Tujuan ..................................................................................................................................... 1 1.3 Manfaat Penelitian .................................................................................................................. 1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................................... 1 2.1 Semikonduktor........................................................................................................................ 1 2.2 Sel Surya TiO2 Tersensitisasi Dye .......................................................................................... 2 2.2 Titanium Dioksida (TiO2) ....................................................................................................... 3 2.3 Elektrolit Polimer.................................................................................................................... 4 2.4 Dye Sensitizer ......................................................................................................................... 5 BAB 3 BAHAN DAN METODE ..................................................................................................... 5 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................................................. 5 3.2 Alat dan Bahan ....................................................................................................................... 5 3.3 Metode Pembuatan dan Karakterisasi ..................................................................................... 6 3.3.1 Deposisi Film TiO2 .......................................................................................................... 6 3.3.2 Karakterisasi Struktur Kristal TiO2 ................................................................................. 6 3.3.3 Perendaman Larutan Dye ................................................................................................ 7 3.3.4 Karakterisasi Absorbansi ................................................................................................. 7 3.3.5 Deposisi larutan elektrolit ............................................................................................... 7 3.3.6 Karakterisasi Sel Surya (I-V) .......................................................................................... 7 3.3.7 Perhitungan Efisiensi Konversi Sel Surya ....................................................................... 7 3.3.8 Pengukuran Respon Dinamik Dan Kestabilan Tegangan ................................................ 8 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN............................................................................................. 8 4.1 Hasil Deposisi TiO2 ................................................................................................................ 8 4.2 Analisis XRD Lapisan TiO2 ................................................................................................... 8 4.3 Hasil Perendaman Dalam Dye ................................................................................................ 8 4.4 Karakteristik Absorbansi ........................................................................................................ 9 4.5 Hasil Deposisi Elektrolit ......................................................................................................... 9 4.6 Karakteristik Arus Tegangan Sel Surya .................................................................................. 9 4.7 Hasil Perhitungan Efisiensi Konversi ................................................................................... 10 4.8 Respon Dinamik Dan Kestabilan Tegangan ......................................................................... 10 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN........................................................................................... 11 5.1 Kesimpulan ........................................................................................................................... 11 5.2 Saran ..................................................................................................................................... 11 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................................... 11 LAMPIRAN .................................................................................................................................... 13 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi. ................................................ 2 Gambar 2. Semikonduktor (a) tipe-n, (b) tipe-p ................................................................................ 2 Gambar 3. Skema Sel Surya TiO2 Tersentisasi Dye.......................................................................... 2 Gambar 4. (a) Struktur kristal TiO2 anatase. (b) Struktur kristal TiO2 rutile................................... 4 Gambar 5. Struktur kimia polietilen glikol (PEG) ............................................................................ 5 Gambar 6 Struktur Kitosan. .............................................................................................................. 5 Gambar 7. Rangkaian uji karakterisasi sel surya .............................................................................. 7 Gambar 8. Hasil Karakterisasi XRD TiO2 ........................................................................................ 8 Gambar 9. Spektrum serapan TiO2/dye ............................................................................................. 9 Gambar 10. Kurva I/V sel surya ...................................................................................................... 10 Gambar 11. Kurva tegangan terhadap waktu. ................................................................................. 11 DAFTAR TABEL Tabel 1. Karakteristik TiO2 ............................................................................................................... 4 Tabel 2. Parameter- parameter sel surya ......................................................................................... 10 akan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi, meninggalkan hole pada pita valensi. Sistem sel surya ini pertama kali dikembangkan oleh Gratzel et.al.2 sehingga disebut juga sel Gratzel. Efisiensi konversi yang dihasilkan dari sel surya TiO2 tersensitisasi dye telah mencapai 10 -11%.3 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penggunaan besar-besaran sumber daya minyak bumi dan batu bara mengakibatkan terjadinya pengurangan yang sangat drastis dalam cadangan energi dunia. Sumber energi konvensional berbasis minyak, batubara dan gas alam telah terbukti sebagai penggerak efektif bagi kemajuan ekonomi namun sekaligus merusak lingkungan dan kesehatan manusia.1 Melihat kondisi itu, banyak dilakukan penelitian dalam mencari sumber energi baru yang dapat diperbaharui, salah satunya adalah pemanfaatan energi matahari sebagai pembangkit energi listrik yang disebut sel surya.1-5 Pemanfaatan energi surya sebagai energi alternatif mulai diimplementasikan dengan adanya berbagai konsep dan perangkat baru, termasuk perangkat berbasis nanokristal dan lapisan polimer konduktif yang menjanjikan biaya pembuatan yang murah.2 Perangkat tersebut memiliki prinsip yang sama namun menggantikan peran persambungan semikonduktor dengan cairan, gel, atau elektrolit padat, sehingga membentuk sel fotoelektrokimia yang salah satunya adalah sel surya tipe dye sensitizer.2 Sel surya tersensitisasi dye menggunakan bahan Titanium Dioksida (TiO2), Seng Dioksida (ZnO2) atau sejenisnya dapat menggantikan fungsi silikon karena sifatnya sebagai semikonduktor dan memiliki daya oksidatif.2 Sel surya tersensitisasi dye merupakan variasi sel surya yang prinsipnya sama seperti sel surya kristal tunggal silikon yaitu konversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik melalui generasi pasangan elektron hole pada fotoelektroda selama absorpsi cahaya. Pada sel surya TiO2 absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang melekat pada permukaan partikel TiO2 yang dideposisikan pada substrat konduktif transparan. TiO2 adalah semikonduktor serbaguna yang dapat digunakan sebagai fotokatalis, sensor gas, dan sel surya.2 Ketika TiO2 disinari cahaya dengan panjang gelombang antara 100 – 400 nm, elektron 1.2 Tujuan a. b. c. Menganalisis karakteristik bahan TiO2 dan dye ruthenium. Membuatan sel surya fotoelektrokimia berbasis bahan semikonduktor TiO2 tersensitisasi dye padat dan elektrolit polimer. Mengukur dan menganalisis karakteristik piranti sel surya (I-V dan kestabilan tegangan) 1.3 Manfaat Penelitian Mendapatkan informasi mengenai karakteristik dan performa sel surya TiO2 tersensitisasi dye dengan elektrolit polimer dalam aplikasi konversi energi matahari. BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Semikonduktor Semikonduktor adalah bahan yang memiliki konduktivitas listrik antara konduktor dan isolator. Resistivitas semikonduktor berkisar antara 10-5 sampai 10-4 Ωm. Pada semikonduktor, terdapat pita energi yang membolehkan keberadaan elektron, yaitu pita valensi berenergi rendah yang terisi penuh oleh elektron dan pita konduksi berenergi lebih tinggi yang kosong pada suhu 0o K. Celah energi yang memisahkan kedua pita tersebut yaitu pita terlarang atau disebut juga band gap (Eg). Salah satu karakteristik penting semikonduktor adalah memiliki band gap yang kecil berkisar antara 0,2 – 2,5 eV. Celah ini memungkinkan elektron memasuki tingkat energi yang lebih tinggi. Perpindahan elektron ini dapat terjadi karena pengaruh suhu, beda potensial dan penyinaran (Gambar 1). 2 Elektron bebas Pita konduksi Band gap Holes Pita valensi Gambar 1. Perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi.4 Ketika semikonduktor disinari dengan cahaya yang energinya lebih besar dari energi gap semikonduktor (hv ≥ Eg), elektron dari pita valensi lompat ke pita konduksi. Elektron yang melompat dari pita valensi meninggalkan pembawa muatan positif. 4 Dalam keadaan murni, hanya sedikit bahan yang dapat disebut sebagai semikonduktor. Pembuatannya harus dicampurkan bahan lain agar didapat bahan semikonduktor, penambahan ini dinamakan doping. Semikonduktor yang tidak dikotori oleh bahan lain dinamakan semikonduktor intrinsik, sedangkan yang telah dikotori oleh bahan lain dinamakan semikonduktor ekstrinsik.4 (a) Semikonduktor ekstrinsik terdiri dari dua tipe yaitu tipe-n dan tipe-p. Semikonduktor tipe-n (Gambar 2a) memiliki elektron sebagai pembawa muatan mayoritas. Semikonduktor jenis ini atom pengotornya memiliki kelebihan elektron (ion donor), hal ini menyebabkan kelebihan elektron di dalam kristal sehingga semikonduktor bermuatan negatif. Semikonduktor tipe-p (Gambar 2b) memiliki lubang (hole) sebagai pembawa muatan mayoritas. Semikonduktor jenis ini atom pengotornya kekurangan elektron (ion akseptor), hal ini menyebabkan kekosongan di dalam kristal sehingga semikonduktor bermuatan positif. 2.2 Sel Surya TiO2 Tersensitisasi Dye Pada sel surya tersensitasi dye seperti pada Gambar 3, fotoeksitasi tidak terjadi pada elektroda semikonduktor, namun terjadi pada dye penyerap cahaya, tepatnya pada persentuhan antara semikonduktor tersensitasi dye dan elektrolit.3 Injeksi elektron dari dye ke TiO2 membutuhkan eksitasi dye yang lebih reduktif dari pita konduksi TiO2. Dye yang teroksidasi akan membutuhkan transfer elektron dari elektrolit untuk mengembalikannya ke ground state. Reaksi kimia redoks yang terjadi membuat sel ini disebut juga dengan sel fotoelektrokimia. Prinsip kerja sel surya TiO2 tersentisasi dye mirip dengan mekanisme dari fotosintesis, yaitu energi cahaya diserap oleh dye yang menghasilkan aliran elektron ke elektroda TiO2 yang bertindak sebagai kolektor elektron.5 Substrat kaca Lapisan karbon Larutan elektrolit e Dengan mediator ‐ TiO2 dengan dye Substrat kaca hf (b) Gambar 2. Semikonduktor (a) tipe-n, (b) tipe-p Gambar 3. Skema Sel Surya TiO2 Tersentisasi Dye 3 Secara umum sel surya tersensitisasi dye ini dibentuk dari lapisan semikonduktor TiO2, dye yang dilapiskan pada semikonduktor sebagai penyerap cahaya, elektrolit yang mengandung pasangan redoks, lapisan karbon sebagai katalis reduksi triiodide dan elektroda counter berupa ITO.6 Sel surya TiO2 tersentisasi dye mengubah energi cahaya menjadi energi listrik dengan prinsip sebagai berikut, ketika terjadi absorbsi sejumlah cahaya oleh dye dan TiO2, energi cahaya ditransfer pada elektron yang terdapat pada molekul dye dan TiO2. Elektron tersebut akan tereksitasi dan memiliki energi untuk berpindah menuju pita konduksi TiO2 dan terakumulasi pada kaca konduktif (ITO) kemudian akan mengalir melalui rangkain luar. Elektron masuk kembali ke dalam sel dan mereduksi sebuah donor teroksidasi (I+) yang ada di dalam elektrolit. Dye teroksidasi akhirnya menerima sebuah elektron dari donor tereduksi (I3-) dan tergenerasi kembali menjadi molekul awal. Mediator (iodide/triiodide) yang ada dalam larutan elektrolit mengalami oksidasi pada dye dan regenerasi pada elektroda counter sehingga membentuk suatu siklus transport elektron.7 Elektron akan ditransfer melalui ion iodide yang terdapat pada larutan elektrolit menuju molekul dye untuk menggantikan elektron yang hilang dan iodide tersebut teroksidasi menjadi triodide. Dye akan kembali siap untuk mengkonversi cahaya menjadi listrik.8 Dengan siklus ini terjadi konversi langsung dari cahaya matahari menjadi listrik.Sedangkan muatan positif atau hole akan berpindah dari dye teroksidasi menuju larutan elektrolit. Dari penjelasan tentang prinsip kerja sel surya TiO2 tersentisasi dye jika diasumsikan pada sebuah tanaman, partikel TiO2 menggantikan karbondioksida (CO2) yang berperan sebagai akseptor elektron, iodide dan triodide (I-/I3-) menggantikan air dan oksigen yang berperan sebagai donor elektron. Sedangkan dye berperan sebagai pompa fotoelektrokimia yang mengakibatkan eksitasi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menggunakan energi dari cahaya yang diserap.9 Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya TiO2 tersentisasi dye disebabkan oleh perbedaan tingkat energi antara TiO2 dan mediator redoks serta tergantung pada bahan pelarut yang digunakan dan keadaan TiO2. Arus yang dihasilkan sel surya TiO2 berkaitan langsung dengan intensitas penyinaran yang diserap oleh dye dan jenis dye yang digunakan.9 2.2 Titanium Dioksida (TiO2) TiO2 merupakan material semikonduktor tipe-n. TiO2 memegang peranan penting dalam pemanfaatan fotoenergi karena memiliki daya oksidatif atau mempu melepaskan elektron dan stabilitas yang tinggi terhadap fotokorosi, murah, dan mudah didapat. TiO2 memiliki tiga struktur yaitu rutile, anatase dan brukit. Hanya rutile dan anatase yang cukup stabil keberadaannya. Struktur anatase dan rutile dapat digambarkan sebagai rantai oktahedron TiO2. Perbedaan keduanya terdapat pada distorsi oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya. Setiap ion Ti4+ dikelilingi 6 ion O2-. Oktahedral pada struktur rutile mengalami sedikit distorsi ortorombik, sedangkan pada anatase distorsi ortorombiknya cukup besar sehingga relatif tidak simetri. Pada struktur rutile setiap ortahedron dikelilingi oleh 10 oktahedron tetangga, sedangkan pada struktur anatase setiap oktahedron dikelilingi 8 oktahedron lainnya.9 Perbedaan dalam struktur kisi ini menyebabkan perbedaan massa jenis dan struktur pita elekektronik antara dua bentuk TiO2, yaitu anatase memiliki daerah aktivasi yang lebih luas dibandingkan rutile sehingga kristal anatase menjadi lebih reaktif terhadap cahaya dibandingkan rutile. Besar band gap yang dimiliki pun menjadi berbeda, pada anatase besar celah energinya adalah 3,2 eV sedangkan rutile 3,1 eV, indeks bias anatase dan rutile berturut-turut adalah 2,5688 dan 2,9467. Karakteristik TiO2 dapat dilihat pada Tabel 1. Struktur kristal anatase dan rutile ditunjukkan pada Gambar 4. 4 Tabel 1. Karakteristik TiO2 Karakteristik Anatase Rutile Sekitar 388 Sekitar 413 Massa jenis (gr/cm ) 3,89 4,26 Temperatur Sintesis (oC) 100-700 700-1000 Band gap (eV) 3,2 3,1 Indeks bias 2,5688 2,9467 Struktur Kristal Parameter kisi a (Å) c (Å) Vol (Å3) Tetragonal Tetragonal 3,7852 9,5139 136,25 4,5933 2,9592 62,07 Serapan Optik (nm) 3 TiO2 anatase dan rutile mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang sekitar 388 nm dan 413 nm. Anatase mempunyai massa jenis sebesar 3,89 g/cm3, sedangkan rutile memiliki massa jenis sebesar 4,26 g/cm3. TiO2 Anatase dapat disintesis dengan metode preparasi elektrolisis TiCl4, TiOSO4, atau dari Titanium alkoksida.6 Pembentukan Kristal anatase terjadi pada pemanasan temperature rendah (100-7000C). Pembentukan kristal rutile terjadi pada pemanasan temperature tinggi (700-10000C). Penggunaan polimer Polietilen Glikol dalam penelitian ini adalah sebagai matriks bagi pasangan ion I-/I-3 dan sekaligus sebagai perekat dalam pemasangan substrat ITO yang menjadi elektroda pada sel. Polietilen Glikol termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus –OH yang berulang. 2.3 Elektrolit Polimer Elektrolit Polimer gel sangat menarik perhatian karena dapat digunakan sebagai alternatif untuk menggantikan elektrolit cair. Pada berbagai aplikasi, seperti pada display elektrokromik, dan sel fotoelektrokimia, penggunaan elektrolit ini dapat mencegah kebocoran larutan, dan mengurangi permasalahan penyegelan (sealing) pada foto elektrokimia.12 Elektrolit polimer melakukan transpor muatan secara khusus oleh pasangan redoks I-/I3-, pasangan redoks tersebut berfungsi sebagai mediator. Mediator ini sangat penting bagi sel surya TiO2 tersentisasi dye, karena berfungsi untuk menggantikan elektron dari dye yang hilang selama proses penyerapan cahaya.13 Elektrolit polimer memiliki sifat konduktif ionik dan dapat berfungsi sebagai hole tranfer pada piranti sel surya fotoelektrokimia. (a) Ti O (b) Gambar 4. (a) Struktur kristal TiO2 anatase.10 (b) Struktur kristal TiO2 rutile.11 HC OH tetumbuhan, dengan klorofil sebagai dyenya. Fungsi dye disini berfungsi untuk menyerap energi cahaya matahari dan menghasilkan aliran elektron. CH OH n Gambar 5. Struktur kimia polietilen glikol (PEG) Gambar 6 Struktur Kitosan.14 Polietilen glikol memiliki bentuk berupa padatan hingga cairan kental (gel), bergantung pada komposisi dan berat molekulnya. Struktur kimia polietilen glikol (PEG) ditunjukan pada Gambar 5.13 Penggunaan kitosan dalam campuran elektrolit berperan sebagai penyumbang sifat elektrolit kation sehingga dapat berperan sebagai amino exchange.14 Kitosan memiliki sifat mudah terdegradasi, biokompetibel dan tidak beracun. Sifat-sifat kitosan dihubungkan dengan adanya gugus amina dan karboksil yang terikat. Adanya gugus tersebut menyebabkan kitosan mempunyai reaktivitas kimia yang baik. Gambar 6 menunjukkan struktur kitosan. 2.4 Dye Sensitizer Dye Sensitizer berasal dari dua kata yaitu dye dan sensitization (sensitisasi). Dye merupakan molekul pigmen atau senyawa kimia yang dapat menyerap cahaya, sedangkan sensitisasi merupakan proses transfer elektron dari molekul dye ke daerah pita konduksi semikonduktor yang terjadi karena absorbsi cahaya.14 Lapisan dye yang digunakan merupakan lapisan tunggal (monolayer) dye dan berfungsi sebagai absorber sinar matahari. Proses penyerapan cahaya matahari oleh sel surya nanokristal tersentisasi dye menyerupai TiO2 mekanisme fotosintesis pada daun Dye yang digunakan dalam sel surya fotoelektrokimia TiO2 dapat berupa senyawa kimia sintetis yang mengandung pigmen organik atau ekstraksi bahan organik. Dye yang berasal dari senyawa kimia sintesis misalnya [Ru(opy)3]2+, [Ru(cdpy)2 (NCS)2], [Ru(cdpy)3], Coumarrin-343.15 Dye yang berasal dari ekstraksi bahan organik tumbuhan yaitu pigmen klorofil, cyanidin, cyanin, flavonoid, karotenoid (yang terdapat pada daun, bunga dan buah) dan pigmen kuinon ( yang terdapat pada kulit kayu, dan akar tumbuhan). Dye yang digunakan dalam penelitian sel surya disini adalah dye Ruthenium yang merupakan senyawa kimia sintetis. Dye tersebut mempunyai daerah serapan yang berada pada panjang gelombang cahaya sekitar 535 nm. BAB 3 BAHAN DAN METODE 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Juli 2010 hingga Mei 2011. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor. 3.2 Alat dan Bahan Bahan yang digunakan pada penelitin ini adalah: substrat transparant conductive oxide (ITO), 0.5 g bubuk TiO2 nanokristal (Degussa P25), 2 mL asetilaseton (MERCK), 1 tetes Triton X-100 (MERCK), aquades, asetonitril (MERCK), 1.5 gram Polietilen glikol (PEG 4000), 10 ml asam asetat, 2 gram kitosan, 2 tetes elektrolit KI (Solaronix), dye ruthenium. Sedangkan alat yang digunakan adalah: gelas ukur, gelas piala, pipet, scotch-tape, aluminium foil, hotplate, furnace, magnetic stirrer, Voltmeter, resistor, spektrofotometer UV-Vis (Ocean Optic), XRD (Shimadzu model-610). 6 3.3 Metode Pembuatan dan Karakterisasi besar sudut pantulan maka terjadi pantulan elastis yang dapat dideteksi. Pada penelitian ini langkah-langkah yang dilakukan adalah: deposisi film TiO2 pada substrat ITO, karakterisasi struktur kristal TiO2, perendaman film TiO2 pada larutan dye, karakterisasi absorbansi, deposisi elektrolit, dan karakterisasi sel surya (I-V). Untuk menentukan parameter kisi dapat dilakukan dengan menggunakan Hukum Bragg yang dirumuskan dalam Persamaan (1) 3.3.1 Deposisi Film TiO2 Substrat ITO dengan ukuran permukaan (2x1) cm2 dibersihkan dengan sabun dan direndam dengan aseton kemudian dikeringkan. Selanjutnya tepi-tepi substrat dibingkai dengan scotch-tape, sehingga menyisakan permukaan ITO seluas (1x1) cm2 untuk dilapisi pasta TiO2 pada sisi konduktifnya. Selanjutnya pasta TiO2 disiapkan dengan mencampurkan 0,5 mg TiO2 degussa P25, 0,5 mL asetil aseton dan ± 12 tetes aquades. Campuran ini digerus hingga berbentuk pasta. Setelah homogen larutan ditambahkan satu tetes detergent (Triton X-100) untuk membuat larutan menyebar pada substrat. Deposisi dilakukan dengan meneteskan pasta TiO2 pada substrat ITO. Pasta diratakan hingga seluruh permukaan konduktif ITO tertutupi pasta, kemudian scotch-tape dapat dilepas. Substrat yang telah dilapisi kemudian dipanaskan di atas hotplate bersuhu 200 oC selama satu jam hingga lapisan mengering. 3.3.2 Karakterisasi Struktur Kristal TiO2 Metode XRD dapat digunakan untuk mempelajari dan menentukan sistem kristal (kubik, tetragonal, heksagonal, dll) menentukan kualitas kristal (single kristal, polykristal, amourphous), menentukan simetri kristal, menentukan cacat kristal (dislokasi), mencari parameter kristal (parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel) dan analisis kimia (jenis dan jumlah senyawa).16 Prinsip dari alat XRD yaitu ketika sinar X yang dihasilkan dari suatu logam tertentu memiliki panjang gelombang tertentu, kemudian dengan memvariasikan λ = 2d sin θ (1) dimana λ adalah panjang gelombang, d adalah jarak antara bidang, dan θ adalah sudut difraksi. Dengan mengetahui sistem kristal adalah tetragonal untuk TiO2 maka jarak antar bidang-bidang yang berbekatan yang disusun dalam ( hkl ) kristalnya akan berbeda. Untuk material yang memiliki struktur kristal tetragonal berlaku hubungan 2 2 2 1 h +k l = + 2 2 2 d a c (2) dimana a = b ≠ c, dengan a, b, c adalah parameter kisi dan h,k,l adalah indeks Miller. Dengan mensubstitusikan persamaan (1) ke persamaan (2), maka didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal, yaitu (3) diman C = λ2/(4a2) dan B = λ2/(4c2). Dengan B dan C adalah numerator. Nilai B dan C ditentukan dengan menggunakan metoda Cohen yang dirumuskan dalam persamaan (4), yaitu Σα sin 2 θ = C Σα 2 + BΣαγ + AΣαδ Σα sin 2 θ = C Σγα + BΣγ 2 + AΣγδ (4) Σα sin 2 θ = C Σαδ + BΣγδ + AΣδ 2 Dimana α = h2 + k2 ; γ = l2 ; δ = 10 sin2 2θ; A = D/10; C = λ2/(4a2) dan B = λ2/(4c2); λ adalah panjang gelombang (Cu = 1.54056); θ adalah sudut difraksi sinar X (derajat); d adalah jarak antar bidang; a dan c adalah parameter kisi. Untuk menentukan ukuran partikel (σ) lapisan TiO2 menggunakan persamaan 7 B cos θ = 0.94 λ σ + η sin θ (5) dimana B adalah FWHM (full width at half maximum), λ adalah panjang gelombang sinar X (λ Cu = 1,54056 Å), θ adalah sudut difraksi (derajat), σ adalah ukuran partikel, η adalah mikro strain.16 Sel surya V Reostat Gambar 7. Rangkaian uji karakterisasi sel surya 3.3.3 Perendaman Larutan Dye Perendaman dilakukan dengan menyiapkan ITO yang sudah dideposisikan dengan TiO2 dan 10 ml dye ruthenium pada gelas piala. Kemudian sampel TiO2 direndam selama 18 jam, setelah itu dikeringkan menggunakan hotplate dengan suhu 60oC selama 30 menit. 3.3.4 Karakterisasi Absorbansi Karakterisasi Absorbansi dye Ruthenium dan TiO2 tersensitisasi dye dilakukan menggunakan alat spektrofotometer UV-Vis (Ocean Optic) dengan spektrum cahaya tampak antara panjang gelombang 300 - 800 nm. 3.3.5 Deposisi larutan elektrolit Larutan elektrolit dibuat dengan mencampurkan 1,5 gram Polietilen glikol (PEG), 10 ml asam asetat, 2 gram kitosan, 2 tetes elektrolit KI pada gelas piala. Campuran tersebut distrering 300 rpm selama 8 jam hingga berbentuk homogen pada suhu kamar. Larutan elektrolit diteteskan pada bagian TiO2 tersensitisasi dye lalu diratakan dan terakhir ditempelkan substrat ITO pada bagian atasnya dan didiamkan seharian hingga merekat. 3.3.6 Karakterisasi Sel Surya (I­V) Karakterisasi sel surya dilakukan dengan menghubungkan sel surya dengan voltmeter dan resistor secara paralel. Resistor yang digunakan antara lain memiliki hambatan 470Ω, 560Ω, 820Ω, 1000Ω, 2200Ω, 4700Ω, 10kΩ, 22kΩ, 56kΩ, 100kΩ, 220kΩ, 470kΩ, 1MΩ, 2MΩ, 3MΩ, 4MΩ. Data yang ditampilkan pada voltmeter dicatat berdasarkan perubahan hambatannya. Skema rangkaian karakterisasi I-V dapat dilihat pada Gambar 7. Nilai arus dihitung dengan menggunakan rumus I = V/R (6) 3.3.7 Perhitungan Efisiensi Konversi Sel Surya Efisiensi konversi yaitu kemampuan sebuah piranti sel surya untuk mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik dalam bentuk arus dan tegangan listrik. Efisiensi konversi energi sebuah sel surya dapat ditulis dalam persamaan : Efisiensi (η) = 100% (7) dengan Pmax adalah daya maksimum yang dihasilkan. Pmax diberikan oleh persamaan : Pmax = Vmax x Imax = Voc x Isc x FF (8) Dari persamaan (7) ini dapat ditulis persamaan untuk fill factor (ff) yaitu : = (9) Dari persamaan (7) dan (8), maka efisiensi konversi energi sel surya dapat dinyatakan sebagai berikut : = 100% (10) dimana Pin adalah daya energi cahaya (matahari) yang tiba pada permukaan sel surya. Pin ditentukan dengan menggunakan persamaan : Pin = Intennsitas x A (11) dimana A adalah luass sel surya yang disinari. 3.3.8 Pengukuran Respon R Dina amik abilan Tega angan Dan Kesta Penngukuran respon dinnamik dilakukan dengan menghhubungkan sell surya dengan alatt data studioo yang terhuubung dengan PC secara paraleel. Sel dikonddisikan m cahaya atau berada b agar tidak mendapatkan dalam lingkkungan gelapp selama 30 detik. Setelah itu disinari denngan cahya lampu selama 60 detik kemuddian cahaya lampu k dimatikan kembali. BAB 4 HASIL L DAN PEM MBAHASA AN D TiO O2 4.1 Hasil Deposisi TiO O2 berhasil dideposisikan d pada substrat ITO O dengan ukkuran 1x1 cm m2 dan siap dianealing pada suhhu 200 0C dengan d H deposissi ini jumlah 2 sampel. Hasil d i dengan XRD D dan kemudian dikarakterisasi dianalisis strruktur kristalnnya. 47.798, 54.8290, 62.0640, 68,6880, 70,,10 dan b 74,8590 yaang bersesuaiian dengan bidang orientasi paada (101), (103), (004), (112), (200), (2111), (213),(1166), (220) dan (107) sesuai dataa JCPDS N No. 21-1276 pada Lampiran 2. 2 Sedangkann, fase rutilee bisa dilihat darri sudut 2θ selain nilaai-nilai tersebut di atas, diantaranya pada 27 7.2040, 0 0 0 dann 54.829 36.751 , 41.032 yang bersesuaiann dengan orieentasi kristal (110), (101), (1111) dan (211) sesuai dengaan data JCPDS No. 21-1272 padaa Lampiran 3.. TiO O2 anatase memiliki sistem kristal tetraagonal dengann sumbu a = b ≠ c dan α = β = 90o. U Untuk menen ntukan parameter kisi k dari samppel TiO2 digu unakan metode Cohen C pada Persamaan n (4), perhitungannnya dapat dillihat pada Lam mpiran 5. Berdasarrkan hasil perhitungan dik ketahui sampel TiO O2 memiliki pparameter kissi a = 3.701085 Ǻ dan c = 9.2388342 Ǻ. Ukkuran kristal bbisa diamati secara kasar dari bentuk b puncakk pada kurva XRD. Jika benttuk puncak semakin lebar, menandakann ukuran kriistal semakin kecil. Puncak yanng teramati dari sampel TiO2 relatif lebaar sehingga uukuran kristaal dari partikel TiO O2 pada bubuuk ini relatiff kecil. Ukuran kristal didapatkaan dari perhittungan s menggunakkan persamaann (5) adalah sebesar 37.344 nm. 4.3 Hasil Perendaman P n Dalam Dy ye 4.2 Analisiis XRD Lap pisan TiO2 Hasil analisis XRD ditamppilkan pada Gambbar 8. Dari hasil h tersebut dapat dilihat bahw wa puncak yang paling banyak b dimiliki olehh fase anatase, yakni padaa sudut 2θ pada 25..0720, 36.7510, 37.5860, 388.3080, Haasil perendam man sampel TiO2 menggunakkan larutan ddye ruthenium m 535 selama 18 jam menjaddikan sampell TiO2 berubah waarna menjadi w warna ungu. Hal H ini menunjukkaan bahwa dyee telah terserap p pada sampel TiO O 2. Intensitas (cps) 600 500 400 300 200 100 0 10 3 30 2 theta 50 Gambar 8. Hasil Karaktterisasi XRD TiO T 2 70 9 4.4 Karakteristik Absorbansi 4.5 Hasil Deposisi Elektrolit Spektrum serapan sampel TiO2, dye ruthenium dan TiO2 tersensitisasi dye ditunjukkan pada Gambar 9, dari hasil karakterisasi spektrum serapan menunjukkan bahwa panjang gelombang serapan maksimum (λmax) untuk sampel TiO2 tersensitisasi dye adalah 480 nm dengan nilai absorbansi 1.8 dan daerah spektrum serapannya sekitar 300 - 580 nm. Spektrum serapan untuk TiO2 yaitu pada rentang 360 – 450 nm, sedangkan spektrum serapan maksimum dye ruthenium adalah sekitar 530 dengan nilai absorbansi 1.779. Hal ini menunjukkan bahwa dye ruthenium yang diukur memiliki serapan maksimum pada kisaran panjang gelombang cahaya hijau (500 - 575nm). Spektrum serapan sampel menunjukkan bahwa sampel memiliki daerah spektrum serapan yang kurang luas, karena hanya mencakupi daerah spektrum UV hingga cahaya hijau. Nilai efisiensi konversi sel surya lebih bergantung pada panjang gelombang cahaya yang diabsorbsi, dibandingkan dengan intensitas cahaya yang diterima. Kurva TiO2 setelah direndam dye menunjukkan pergeseran spektrum absorbansi, ini menunjukkan dye mempengaruhi penyerapan cahaya pada TiO2. Elektrolit polimer yang dibuat menggunakan bahan PEG, asam asetat, kitosan, dan elektrolit KI menghasilkan gel yang transparan. Deposisi elektrolit pada sampel TiO2/dye menghasilkan sampel yang dapat merekatkan substrat ITO dan juga berperan sebagai elektroda counter. Absorbansi 2.5 TiO2 2 Dye Ruthenium 535 Dye + TiO2 1.5 1 0.5 0 300 500 700 λ (nm) Gambar 9. Spektrum serapan TiO2/dye 4.6 Karakteristik Arus Tegangan Sel Surya Karakterisasi arus-tegangan (I-V) dilakukan pada sampel prototipe sel surya. Sel surya dirangkai paralel dengan sebuah voltmeter dan dirangkai seri dengan sebuah amperemeter dan sebuah reostat atau potensiometer. Sel surya ditempatkan pada daerah yang terkena cahaya matahari. Resistansi mula-mula yaitu pada 4 x 106 Ω, kemudian diturunkan resistansinya hingga minimum sebesar 0 Ω. Pada saat resistansi reostat maksimum, tidak ada arus yang melewati amperemeter, seluruh arus melewati voltmeter, arus yang melalui voltmeter ini menghasilkan tegangan rangkaian terbuka (Voc). Pada saat nilai resistansi minimum, tidak ada arus yang melewati voltmeter, seluruh arus melewati ampermeter, arus yang melalui amperemeter ini merupakan arus rangkaian pendek (Isc). Luas penampang sel surya TiO2 tersensitisasi dye yang disinari adalah 1 cm2. Sumber cahaya yang digunakan adalah cahaya matahari yang dilakukan antara pukul 11.00-12.00 WIB dengan intensitas 145 mW/cm2. Pengukuran ini dilakukan sebanyak dua kali pengulangan agar data yang didapat lebih baik. Data hasil pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 7. Untuk menentukan besar nilai arus yang dihasilkan, dilakukan perhitungan dengan menggunakan persamaan (6). Data dari kedua pengulangan kemudian dihitung nilai rata - ratanya. Kurva I-V yang diperoleh dari hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 10. Dari kurva I-V tersebut didapat parameter-parameter sel surya yang ditunjukkan pada Tabel 2. 10 Daya maksimum yang dihasilkan oleh prototipe sel surya ini sebesar 0.019 mW. Kurva hasil karakterisasi arustegangan masih jauh dari kurva sel surya ideal. Kurva sampel terlihat sangat landai menunjukkan kecilnya nilai fill factor. Nilai fill factor yang kecil mengurangi nilai efisiensi sel surya, selain juga karena Isc yang sangat kecil. Hal ini disebabkan resistansi dari sel surya masih cukup besar. Arus 0.00035 0.0003 0.00025 0.0002 0.00015 0.0001 0.00005 0 0 100 200 300 Tegangan Gambar 10. Kurva I/V sel surya Tabel 2. Parameter- parameter sel surya Karakterisasi I - V Sel Surya Vmax (mV) 131.1000 Imax (mA) 0.000131 Pmax (mW) 0.017187 Isc (mA) 0.000325 Voc (mV) 207.0000 Fill Factor 0.02500 Karakterisasi arus tegangan yang dilakukan pada prototipe sel surya yang menggunakan sumber cahaya matahari ternyata sesuai dengan karakterisasi sel surya pada umumnya, hanya saja tidak menunjukkan pola dioda yang ideal, karena kurva yang terbentuk terlalu landai dengan nilai ff (fill factor) yang rendah. Bila tegangan yang terbaca pada volt meter semakin besar maka arusnya akan semakin kecil, hal ini mirip dengan kurva dioda. Tegangan tertinggi dicapai pada saat tegangan sirkuit terbuka (Voc) adalah 207 mV, sedangkan nilai arus tertinggi yaitu pada saat arus sirkuit singkat (Isc) adalah 0.000131 mA. Tinggi rendahnya kualitas sel surya di tentukan oleh nilai ff dengan nilai maksimum dari ff =1 (100%). Nilai ff dari sel surya ini sebesar 0.32. Nilai yang dihasilkan masih kecil dibanding dengan parameter komersil yang berkisar dari 0.40.7. 4.7 Hasil Perhitungan Efisiensi Konversi Efisiensi konversi merupakan aspek yang menjadi perhatian utama dalam sel surya, yaitu kemampuan sebuah piranti sel surya untuk mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik dalam bentuk arus dan tegangan listrik, efisiensi konversi (η) dari sel surya ini dari hasil perhitungan pada Lampiran 8 adalah 0.012 %. 4.8 Respon Dinamik Dan Kestabilan Tegangan Pengukuran respon dinamik dan kestabilan tegangan sel surya ketika disinari oleh cahaya dilakukan tiga kali pengulangan, namun dalam perhitungan untuk mencari konstanta waktu digunakan data pada pengulangan pertama. Respon dinamik dan kestabilan tegangan ditunjukkan oleh Gambar 11. Penurunan tegangan pada kondisi penyinaran menunjukkan bahwa sampel memiliki tingkat kestabilan yang kurang baik. Penurunan tegangan tersebut cukup drastis, yakni dari tegangan 492 mV menjadi 285 mV atau sebanyak 207 mV dalam waktu 56 detik. Penurunan tegangan disebabkan oleh tidak sempurnanya proses rekombinasi prematur muatan yang dilakukan oleh masing-masing komponen sel surya. Kenaikan tegangan saat awal penyinaran serta penurunan tegangan yang cepat saat penyinaran dihentikan menunjukkan bahwa sel surya memiliki respon dinamik yang cepat. Perhitungan pada Lampiran 9 didapat Konstanta waktu sebesar 2.3 detik. Sel dengan konstanta waktu yang kecil akan memiliki kecepatan kenaikan tegangan yang tinggi ketika sel elektrolit polimer. Sedangkan penggunaan polietilen glikol berfungsi sebagai perekat. Elektrolit polimer bersifat konduktif ionik sehingga dapat menjadi media hole transfer. V(Volt) 0.6 0.5 terang 0.4 0.3 0.2 0.1 gelap 0 -0.1 0 30 60 90 120 150 t ( detik ) Gambar 11. Kurva tegangan terhadap waktu. disinari dan penurunan tegangan yang tinggi ketika penyinaran dihentikan. Data yang digunakan pada perhitungan diambil pada saat detik ke 90 yakni saat cahaya lampu dipadamkan. Berdasarkan kurva arus-tegangan, sampel ini memiliki nilai Voc sebesar 207 mV, nilai Isc sebesar 0.000131 mA. Daya maksimum yang dihasilkan oleh prototipe sel surya ini sebesar 0.017 mW. efisiensi konversi (η) dari sel surya ini adalah 0.012%, dengan fill factor 0.25. Berdasarkan kurva tegangan-waktu sampel memiliki tingkat kestabilan yang kurang baik, namun sampel memiliki respon dinamik yang cepat yakni nilai konstanta waktunya 2.3. Sel surya yang dihasilkan ini memiliki kualitas yang kurang baik, kerena memiliki efisiensi konversi yang masih rendah. Efisiensi konversi sel surya tersensitisasi dye untuk saat ini telah mencapai 10 - 11%.17 5.2 Saran BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Pada penelitian ini dibuat sebuah sel surya dengan ukuran 1x1 cm2. Karakterisasi XRD TiO2 menunjukkan bahwa pada sampel TiO2 yang dibuat membentuk kristal anatase dan rutile, namun yang paling dominan terbentuk adalah kristal anatase. Parameter kisi yang ditunjukkan a = 3.701 Ǻ dan c = 9.238 Ǻ dan ukuran kristalnya adalah 37.344 nm. Daerah serapan optik untuk TiO2 yaitu pada derah 360 – 450 nm, dye ruthenium 535 adalah 530 dengan nilai absorbansi 1.779. Sedangkan daerah serapan optik untuk sampel TiO2 tersensitisasi dye adalah 300 - 580 nm dengan serapan maksimuma 440 nm dan nilai absorbansi 1.8. Ini menujukkan bahwa dye memberikan pengaruh pada daerah penyerapan TiO2 yang ditunjukkan oleh pergeseran dan penambahan luas area penyerapan. Penggunaan kitosan pada pembuatan prototipe sel surya tersensitisasi dye dapat berfungsi sebagai matriks bagi Pada penelitian selanjutnya perlu diperhatikan teknik pendeposisian dan ketebalan lapisan TiO2 sehingga lapisan TiO2 cukup transparan. Dibuat kontak yang lebih baik lagi untuk mendapatkan data pengamatan I-V yang baik. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai desain sel surya tersensitisasi dye yang lebih optimal untuk menjaga tingkat kestabilan tegangan terhadap waktu. DAFTAR PUSTAKA 1. Herzog, A. V., Lipman, T. E. Kammen, D. M. (2002). Renewable Energy Sources. United Kingdom, EOLSS. 2. Archer, M. D., Nozik, A. J. (2008). Nanostructured And PhotoelectroChemical Systems For Solar Photon Convertion. London, Imperial College Press. 3. Schmidt, Mende, L. & Gratzel, M. (2006). Thin Solid Films. 500: 296. 4. Lestari, Verawati. (2009). Struktur dan Karakterisasi Optik Lapisan Semikonduktor Cu2O (Cuprous Oxide) 12 Hasil Deposisi Elektrokimia. Skripsi. Bogor. Institut Pertanian Bogor; hlm 14. Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. Journal of Chemical Education Vol. 75 No. 6. 5. Smestad, G. P. (1998). Education and Solar Conversion : Demonstrating Electron Transfer. Solar Energy Materials and Solar Cells. 55:157-158. 16. Cullity, B. D. (1956). Elements Of XRay Diffraction. Massachusetts, addison wesley Publishing Company. 6. Olea, A., Ponce, G., Sebastian, P. J. (1999). Electron Transfer via Organic dyes for Solar Conversion. Solar Energy Materials and Solar Cells. Journal of Institut for Chemical Education; 59, 137-143 7. Gratzel, M., Greg, P. Smestad. (1998). Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology : A Natural DyeSensitized Nanocrystalline Energy Converter. J. Chem. Educ. 75:752-756. 8. Skyrabin, I., Phani, G. Tulloch. (1997). STA Titania Nanocrystalline Solar Cell Project. Transparansi EU/Australia Photovoltaik Workshop. Canberra. 9. Cherepy, N. J., Smestad, G. P., Gratzel, M. & Zhang, Jin Z. (1997). Ultrafast Electron Injection : Implications for a Photoelectrochemical Cell Utilizing an Anthocyanin Dye-Sensitized TiO2 Nanocrystalline Electrode. J. Phys. Chem. 101: 9342-9351. 17. Schmidt, Mende, L. & Gratzel, M. (2006). Pore-Filling and Its Effect on The Efficiency of Solid-State DyeSensitized Solar Cell. Thin Solid Films. 500:296-301. 10. Benjah. (2007). [terhubungberkala]. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Anata se-unit-cell-3D-balls.png 11. Benjah. (2007). [terhubungberkala]. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rutile e-unit-cell-3D-balls.png [10 November 2010]. 12. Nogueira, Ana F., Durrant, J. R., De Paoli, M. A. (2001). Dye Senitized Nanocrystalline Solar Cells Employing a Polymer Electrolyte. Advance Material No. 11 : 826-830. 13. Wikipedia. (2010). [terhubungberkala]. http://id.wikipedia.org/wiki/Polietilen_ glikol [10 Juli 2010] 14. Hirano, S. (1986). Chitin and Chitosan. Ulmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry.Republicka of Germany. 5th . ed. A 6: 231 – 232. 15. Smestad, Greg, P., Gratzel, M. (1998). Demonstrating Electron and Nanotechnology : A Natural Dye- LAMPIRAN 14 Lampiran 1. Diagram Alur Penelitian Persiapan alat dan bahan Pembuatan lapisan TiO2 Pembuatan elektrolit polimer Karakterisasi XRD TIDAK YA Perendaman dalam dye selama 18 jam Karakterisasi absorbansi Pembuatan sel surya Karakterisasi (I-V dan tegangan-waktu) Penulisan laporan Selesai 15 Lampiran 2. Data JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase 16 Lampiran 3. Data JCPDS Kristal TiO2 Fase Rutile 17 Lampiran 4. Deteksi Puncak Sampel TiO2 2-Theta d(A) BG Height I% Area I% FWHM 21.053 4.2163 50 36 9 656 6.5 0.31 25.072 3.5487 54 398 100 10090 100 0.431 25.539 3.4850 59 34 8.5 1141 11.3 0.571 27.204 3.2753 49 81 20.4 1472 14.6 0.309 30.038 2.9724 39 102 25.6 1693 16.8 0.282 34.965 2.5641 26 57 14.3 994 9.9 0.296 35.872 2.5013 28 38 9.5 753 7.5 0.337 36.751 2.4435 31 26 6.5 758 7.5 0.496 37.586 2.3910 27 86 21.6 3241 32.1 0.641 38.308 2.3476 20 35 8.8 1053 10.4 0.511 41.032 2.1979 19 20 5 442 4.4 0.376 47.798 1.9013 18 140 35.2 3661 36.3 0.445 50.325 1.8116 16 24 6 561 5.6 0.397 53.763 1.7036 17 83 20.9 3796 37.6 0.777 53.962 1.6978 21 71 17.8 3601 35.7 0.862 54.829 1.6730 23 71 17.8 2401 23.8 0.575 62.064 1.4942 16 23 5.8 1756 17.4 1.298 62.510 1.4846 17 59 14.8 2409 23.9 0.694 68.688 1.3654 20 27 6.8 716 7.1 0.451 70.100 1.3413 18 23 5.8 713 7.1 0.527 74.859 1.2674 14 32 8 1605 15.9 0.853 18 Lampiran 5. Menentukan Parameter Kisi dan Ukuran Kristal Menggunakan Metode Cohen dan Cramer Untuk menentukan parameter kisi kristal tetragonal digunakan persamaan : Σα sin2θ = CΣα2 + BΣαγ + AΣαδ Σγ sin2θ = CΣαγ + BΣγ2 + AΣγδ 2 (lamp 01) 2 Σδ sin θ = CΣαδ + BΣγδ + AΣδ Keterangan : • h,k,l adalah indeks Miller • A = d/10 • α = h2+k2 • B = λ2/(4c2) • δ = 10 sin22θ • C = λ2/(4a2) 2θ 25.072 θ 12.536 36.751 18.3755 37.586 18.793 38.308 19.154 47.798 23.899 54.829 27.4145 62.064 31.032 68.688 34.344 70.1 35.05 74.859 37.4295 hkl 101 103 004 112 200 211 213 116 220 107 Sin22θ 0.17957 Sin2θ 0.047112 α 1 α2 1 γ 1 γ2 1 0.358009 0.099378 1 1 9 81 0.372041 0.103781 0 0 16 256 0.384262 0.107655 2 4 4 16 0.548757 0.164127 4 16 0 0 0.668203 0.211991 5 25 1 1 0.780522 0.265757 5 25 9 81 0.867907 0.318277 2 4 36 1296 0.884142 0.32981 8 64 0 0 0.931777 0.369402 1 1 49 2401 Σ 141 4133 19 αγ δ2 δ γδ αsin2θ αδ γsin2θ δsin2θ 1 1.795698 3.224533 1.795698 1.7956985 0.047112 0.047112 0.084599 9 3.580091 12.81705 32.22082 3.5800906 0.099378 0.894405 0.355783 0 3.720409 13.84144 59.52654 8 3.842619 14.76572 15.37048 7.6852376 0 5.487567 30.11339 5 6.682025 44.64946 6.682025 33.410126 1.059953 0.211991 1.416527 45 7.805218 60.92143 70.24696 72 8.679067 75.32621 312.4464 17.358135 0.636554 11.45797 2.762346 0 8.841418 78.17067 49 9.31777 189 0 0 0 0 1.66049 0.386106 0.21531 0.43062 0.413677 0 0.900657 21.950268 0.656507 39.02609 1.328787 2.391817 2.074295 70.731341 2.638482 0 2.91599 86.82084 456.5707 9.3177701 0.369402 18.10071 3.442006 420.6507 954.8597 204.85476 7.051486 35.19512 14.75199 Dari tabel tersebut diperoleh : 7.051486 141 C 189 B 204.8548 A 35.19512 189 C 4133 B 954.8597 A 14.75199 204.8548 C 954.8597 B 420.6507 A Hasil akhir parameter kisi tetragonal menggunakan metode Cohen dan Cramer adalah : TiO2 Parameter kisi a (Ǻ) 9.238342 c (Ǻ) 3.701085 (tetragonal) Menentukan ukuran kristal diperoleh dari persamaan : (lamp 02) 20 Dengan k adalah konstanta sebesar 0.89; λ adalah panjang gelombang sumber sinar-X (dalam hal ini Cu kα sebesar 1.542 Ǻ), dan β adalah setengan lebar puncak difraksi (dalam satuan radian). Setelah dicari dengan persamaan (lamp 02) didapatkan ukuran kristal sebesar 37.34419 nm. 21 Lampiran 6. Data Absorbansi λ (nm) 300.99 350.13 400.05 450.08 500.15 550.01 600.16 650.14 700.06 750 800.04 TiO2 0.653 1.189 1.583 1.522 1.177 0.91 0.729 0.603 0.514 0.447 0.395 Dye + TiO2 0.488 1.072 1.813 1.917 1.678 1.297 0.976 0.783 0.658 0.573 0.511 Dye 0.239 0.353 0.962 1.513 1.849 1.399 0.53 0.176 -0.008 -0.061 -0.071 Lampiran 7. Tabel karakterisasi I - V R (Ω) V 1 (mV) V2 (mV) V Rata-rata (mV) I terhitung = V1/R (mA) I terhitung = V2/R (mA) I Rata – rata (mA) PRata – rata (mW) 22000 7.3 7 7.15 0.000331818 0.000318182 0.000325 0.00232375 56000 16.5 18 17.25 0.000294643 0.000321429 0.000308 0.005313616 100000 30 30 30 0.0003 0.0003 0.0003 0.009 220000 57.2 54.3 55.75 0.00026 0.000246818 0.000253 0.014127557 470000 86.2 90 88.1 0.000183404 0.000191489 0.000187 0.016514064 1000000 142.2 120 131.1 0.0001422 0.00012 0.000131 0.01718721 2000000 180 173 176.5 0.00009 0.0000865 8.83E-05 0.015576125 3000000 190 187 188.5 0.00000633333 6.23333E-05 6.28E-05 0.011844083 4000000 200 214 207 0.00005 0.0000535 5.18E-05 0.01071225 Lampiran 8. Perhitungan Efisiensi Konversi dan fill facetor Perhitungan Efisiensi Pin = Intensitas x A = 145 mW/cm2 0.01718721mW / cm 2 Pmax x100% = 0.012 % x100 % = Efisiensi (η) = PIn 145 mW / cm 2 Perhitungan ff (fill factor) FF = Vmax xI max 131.1 x 0.000131 x 100% = x 100% = 25.47 % Voc xI sc 207 x 0.000325 24 Lampiran 9. Waktu, tegangan dan perhitungan konstanta waktu (τ) Tabel tegangan terhadap waktu t (detik) V1 V2 0.1 -0.011 -0.063 0.2 -0.010 -0.027 0.3 -0.007 -0.045 89.7 0.278 0.260 89.8 0.289 0.267 89.9 0.285 0.267 90.0 0.285 0.264 90.1 0.275 0.262 91.5 0.152 0.104 91.6 0.143 0.101 91.7 0.144 0.091 91.8 0.124 0.092 91.9 0.112 0.082 92.0 0.113 0.073 92.1 0.104 0.066 92.2 0.092 0.067 92.3 0.094 0.057 92.4 0.090 0.052 V3 -0.047 -0.058 -0.031 0.255 0.261 0.261 0.250 0.264 0.094 0.102 0.095 0.069 0.067 0.079 0.031 0.043 0.052 0.046 V rata-rata -0.040 -0.031 -0.027 0.264 0.272 0.271 0.266 0.267 0.116 0.115 0.110 0.095 0.087 0.088 0.067 0.067 0.067 0.062 (12) Dengan memisalkan (13) (14) Dengan V adalah tegangan disetiap waktu t, Vo adalah tegangan maksimum dan e adalah 2.718, maka dengan mensubtitusikan persamaan (12) ke persamaan (13) didapat (15) 0 −t e −1 =eτ −1 = t =τ −t τ (16) (17) (18) t = τ terjadi saat 25 V0 0.289 = = 0.1048 e 2.718 Pada Tabel tegangan terhadap waktu kita ketahui bahwa untuk nilai V0 = 0.1048 e ditunjukkan pada saat t = 92.1 Maka τ = t − t awal τ = 92 .1 − 89 .8 τ = 2 .3 Kurva rata-rata tegangan terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar 12 Gambar 12. Kurva rata-rata tegangan terhadap waktu 26 Lampiran 10. Alat yang Digunakan dalam Penelitian TEA CdCl2 Hot Plate Furnace Neraca analitik Shimadzu XRD‐7000 MAXIMA Photometer PMA2200 Interface Scientific Workshop 750 (PASCO)
