Sel Surya Titanum Dioksida Tersensitasi

2
Daerah netral
Daerah deplesi Daerah netral
disfusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi
hole dari tipe-p ke tipe-n.
Rapat arus total (J) yang mengalir pada saat
persambungan p-n di bias maju adalah
pertambahan rapat arus difusi pada sisi-n (Jn)
dengan rapat arus difusi pada sisi-p (Jp).
Medan listrik
Gambar 1. Proses pembentukan p-n junction,
(-) ion akseptor, (○) hole, (+) ion
donor, (●) elektron.9
menuju tipe-n, sedangkan elektron
semikonduktor tipe-n menuju tipe-p.
dari
Difusi hole dan elektron tidak terjadi
terus
menerus,
karena
ketika
hole
meninggalkan tipe-p dan hilang di dalam tipen akibat rekombinasi, maka sebuah akseptor
akan diionisasikan menjadi negatif di daerah
tipe-p yang membentuk muatan ruang negatif.
Hal yang sama terjadi pada elektron yang
meninggalkan muatan ruang positif pada
daerah tipe-n, sehingga membangkitkan
medan listrik yang berasal dari ruang muatan
postif menuju ruang muatan negatif (Gambar
1).9 Medan listrik ini akan menghambat difusi
hole dan elektron. Aliran-aliran muatan
pembawa ini akan berhenti setelah terdapat
keseimbangan antara aliran difusi dan aliran
drift.7 Keseimbangan ini ditandai oleh adanya
kesamaan antara level Fermi tipe-p dan tipe-n
(Gambar 2).
Pada keadaan seimbang, di dalam p-n
junction terbentuk
1. daerah tipe-p netral: daerah dengan
jumlah hole sama dengan jumlah
akseptor.
2. daerah muatan ruang tipe-p: daerah
diionisasikannya akseptor negatif.
3. daerah muatan ruang tipe-n: daerah
diionisasikannya donor positif
4. daerah tipe-n netral: daerah dengan
jumlah donor sama dengan jumlah
elektron.10
potensial internal pada daerah deplesi
dapat dipengaruhi oleh tegangan eksternal
yang dipasang pada sisi-p dan sisi-n.
Pemasangan tegangan bias positif pada sisi
tipe-p dan negatif pada sisi tipe-n akan
menurunkan potensial internal pada daerah
deplesi (Gambar 3a). Keadaan ini disebut bias
maju (VF).8 Pemasangan bias maju akan
menurunkan arus drift, tetapi dapat menaikkan
Gambar 2. Pita energi saat keseimbangan
termal pada p-n junction8
.
 qVF

J  J p  J n  J 0  e kT  1




(1)
J0 adalah rapat arus saturasi, k adalah
konstanta Boltzman, q adalah muatan dan T
adalah suhu mutlak.
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Pita energi saat dibias maju, (b)
Pita energi saat dibias mundur.8
Pemasangan bias negatif pada sisi-p
dan positif pada sisi-n akan menaikkan
potensial internal pada daerah deplesi
(Gambar 3 b). Keadaan ini disebut bias
3
mundur (VR). Rapat arus yang mengalir pada
saat bias mundur adalah
R
  qV

J  J 0  e kT  1


(2)
arus pembawa pada p-n junction
dipengarui
oleh
penyinaran
cahaya.
Penyinaran cahaya pada persambungan p-n
akan membentuk pasangan elektron-hole yang
memiliki energi lebih besar dari pada celah
energi.7Pembentukan pasangan elektron-hole
terjadi di daerah difusi dengan panjang Lp
untuk difusi hole dan Ln untuk difusi elektron.
Pasangan elektron-hole ini akan berkontribusi
terhadap arus foto. Jumlah pasangan elektronhole dipengaruhi intensitas cahaya yang
datang. Pasangan elektron-hole akan berpisah
karena medan listrik yang ada pada daerah
deplesi. Adanya pemisahan muatan pada
daerah deplesi, akan menghasilkan aliran arus
dari sisi-n ke sisi-p ketika sisi-p dan sisi-n
dihungkan dengan kawat luar (Gambar 4).
(a)
(b)
Gambar 5. Pita energi p-n junction saat
disinari cahaya, (a) shortcircuited dan (b) open-circuited
current.8
Elektron dan hole akan berkumpul pada kedua
sisi, sehingga menghasilkan tegangan.8
Tegangan tersebut dianamakan tegangan
open-circuit (Voc). Kurva karakteristik arustegangan p-n junction saat disinari cahaya dan
saat dalam keadaan gelap (tidak menerima
cahaya) ditunjukkan pada Gambar 6.
Arus
yang
mengalir
pada
persambungan p-n ketika disinari cahaya
adalah:
Gambar 4. Aliran
muatan
pembawa
persambungan p-n saat disinari
cahaya
dalam
rangkaian
tertutup.8
 qV

I  I 0  e nkT  1  I sc (3)


Penyinaran
p-n
junction
pada
rangkaian terbuka akan menyebabkan
pemisahan muatan pembawa.7 Pemisahan
muatan pembawa ini akan menghasilkan beda
potensial. Diagram pita energi p-n junction
pada saat dihubung singkat (short-circuited)
dan arus rangkaian terbuka (open-circuited
current) ditunjukkan pada Gambar 5a dan 5b.
Arus yang mengalir pada saat sisi-p
dan sisi-n dihubungkan seperti rangkaian
tertutup disebut arus short-circuit (Isc) yang
nilainya sama dengan arus foto (IL) jika
hambatan seri (series resistance) sama dengan
nol. Ketika sisi-p dan sisi-n diisolasi, elektron
bergerak menuju sisi-n dan hole menuju sisi-p.
Gambar 6. Karakteristik arus-tegangan (I-V)
saat gelap dan disinari cahaya.8
4
Ketika rangkaian terbuka (I = 0), sehingga
tegangannya adalah:
Voc 

nkT  I sc
ln 
 1
q
 I0

(4)
Fill factor merupakan parameter fotovoltaik
sel surya yang dapat dijadikan penentu baik
dan buruknya sel. Fill factor dapat dicari
dengan menggunakan persamaan:
FF 
Vm I m
Voc I sc
(5)
VmIm adalah daya maksimum sel.
Efisiensi konversi pada sel surya (η)
didefinisikan sebagai rasio daya output
maksimum yang dihasilkan terhadap daya
total dari intensitas cahaya yang diterima (PIn).

Vm I m VOC I SC FF

PIn
PIn
(6)
2.2 Sel Fotoelektrokimia
Sel fotoelektrokimia terdiri dari
semikonduktor yang aktif terhadap cahaya
sebagai elektroda (bisa tipe-p atau tipe-n) dan
elektroda counter yang terbuat baik dari
logam ataupun semikonduktor. Kedua
elektroda tersebut direndam dalam elektrolit.
Pasangan elektron-hole dibangkitkan pada
persambungan antara semikonduktor dan
elektrolit
jika
persambungan
tersebut
diberikan cahaya yang memiliki energi yang
lebih besar dari band gap semikonduktor.
Selain hanya untuk membangkitkan arus
listrik, sel fotoelektrokimia juga dapat
digunakan pada proses elektrolisis air.
Eksperimen
pertama
terhadap
fotoelektrokimia dikemukakan oleh Becquerel
pada 1839 saat menemukan efek fotovoltaik
pada elektroda perak klorida yang disinari
cahaya.
2.3 Sel Surya Tersensitasi Dye
(Gratzel Cell)
Pada sel surya tersensitasi dye seperti pada
Gambar 7, fotoeksitasi tidak terjadi pada elektroda
semikonduktor, namun terjadi pada dye penyerap
cahaya, tepatnya pada persentuhan antara
semikonduktor tersensitasi dye dan elektrolit.7, 11
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 redox yang terjadi
membuat sel ini disebut juga dengan sel
fotoelektrokimia.
Eksitasi :
TiO2|S + hv → TiO2|S*
Injeksi :
TiO2|S* → TiO2|S* + eRegenerasi :
TiO2|2S+ + 3I- →TiO2|2S + I3-
Sel ini terkendala sifat korosif dari
elektrolit dan kemungkinan kebocoran pada
cairan elektrolit, maka perlu menggunakan
elektrolit berupa gel sebagai solusi untuk
mengatasinya. Dalam perkembangannya dari
generasi pertama hingga kini, terdapat
peningkatan efisiensi konversi sel surya yang
awalnya memiliki nilai sebesar 7.1 % hingga
mampu mencapai lebih dari 11 %.11
Gambar 7. Pita energi dan transfer muatan pada sel surya tersensitasi dye.7
5
Tabel 1. Karakteristik kristal anatase dan rutile
Faktor Perbedaan
Energy gap (Eg), eV
Massa jenis (ρ), gr/cm3
Jarak Ti-Ti, Å
Jarak Ti-O, Å
Parameter kisi, Å
Kristal
Anatase
3,200
3,830
3,970 dan 3,040
1,937 dan 1,966
a = 3,782
Rutile
3,100
4,240
3,570 dan 2,960
1,946 dan 1,983
a = 4,587
c = 9,502
c = 2,953
2.4 Titanium Dioksida (TiO2)
TiO2 terdapat dalam 3 bentuk
polimorf yang berbeda, yaitu rutile, anatase,
dan brukit.12 Di antaranya, rutile dan anatase
adalah paling umum digunakan dalam
fotokatalisis.13 Struktur anatase dan rutile
digambarkan dalam bentuk rantai oktahedral
TiO6. Struktur kedua kristal dibedakan oleh
distorsi oktahedron dan pola susunan rantai
oktahedronnya (Gambar 8).
dibandingkan rutile (1,937 Å dan 1,966 Å
pada anatase dan 1,946 Å dan 1,983 Å untuk
rutile).13 Pada rutile, setiap oktahedronnya
mengalami kontak dengan 10 oktahendron
tetangganya, sedangkan pada anatase, setiap
oktahedron mengalami kontak dengan delapan
oktahedron tetangganya. 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 tersebut
menjadi lebih reaktif terhadap cahaya
dibandingkan rutile. Besar bandgap yang
dimiliki pun menjadi berbeda, pada anatase
besar rentang energinya adalah 3,2 eV
sedangkan rutile 3,0 eV.15 Perbedaan struktur
kristal anatase dan rutile dirangkum pada
Tabel1.
Kristal rutile memiliki struktur yang
lebih padat dibandingkan anatase, karenanya
memiliki densitas dan indeks refraktif yang
lebih tinggi (massa jenis rutile: 4,250 gr/cm3;
anatase: 3,894 gr/cm3 indeks bias rutile dan
anatase berturut-turut adalah 2,9467 dan
2,5688).14
2.5 Sensitizer Dye
Berbeda dengan sel surya p-n, elektron
yang dibangkitkan di dalam sel surya
tersensitasi dye berasal dari sensitizer dye.
Kepekaannya terhadap cahaya mempengaruhi
jumlah elektron yang akan dibangkitkan
ketika dipaparkan sinar.7
Gambar 8. Struktur kristal anatase dan
rutile.13
Setiap ion Ti4+ dikelilingi oleh enam
atom
O2-.
Oktahedron
pada
rutile
memperlihatkan sedikit distorsi ortorhombik,
sedangkan
oktahendron
pada
anatase
memperlihatkan distorsi yang cukup besar
sehingga relatif tidak simetri. Jarak Ti-Ti pada
anatase lebih besar (3,79 dan 3,04 Å pada
anatase, 3,57 dan 2,96 Å untuk rutile),
sedangkan jarak ion Ti-O lebih pendek
PPV merupakan polimer konduktif
yang
unggul
kemampuannya
dalam
pembentukan film dan dapat memiliki sifat
elektroluminesensi.5,6 PPV memiliki unit
berulang ikatan teratur tunggal-rangkap yang
membentuk gabungan dari cincin benzena dan
ikatan trans-poliasetilene.16 PPV memiliki
bandgap sekitar 2,2 eV.18
Dalam penelitian ini jenis PPV yang
digunakan adalah poly [ 2 - methoxy - 5 - (2’-