Fabrikasi dan Karakterisasi Ekstrak Sawi Putih - HFI DIY

Ulfa Mahfudli Fadli / Fabrikasi dan Karakterisasi Ekstrak Sawi Putih sebagai Dye Sensitized Solar Cell
321
Fabrikasi dan Karakterisasi Ekstrak Sawi Putih sebagai Dye Sensitized
Solar Cell
Ulfa Mahfudli Fadli*, Cari, Agus Supriyanto
Universitas Sebelas Maret, Jalan Ir. Sutami 36A Kentingan, Surakarta 57126.
* e-mail: [email protected]
Abstrak – Telah dilakukan penelitian untuk mengetahui karakterisasi sifat optik dan listrik ekstrak Sawi Putih (Brassica
chinensis L.) untuk digunakan sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) . Penelitian ini dilakukan di Laboratorium
Material FMIPA Universitas Sebelas Maret (UNS). Uji absorbansi menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 menunjukkan bahwa pewarna alami dari ekstrak Sawi Putih (Brassica chinensis L.) memiliki absorbansi maksimum
pada panjang gelombang 434 nm dan 666 nm. Uji karakterisasi arus dan tegangan (I-V) menggunakan Keithley 2602A
dengan intensitas 250, 500 dan 750 W/m2 mendapatkan efisiensi sebesar 0,0080% 0,0247% dan 0,0365%. Hasil ini
menjadikan Sawi Putih (Brassica chinensis L.) perlu dipertimbangkan sebagai bahan sensitizer DSSC.
Kata kunci: Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), Sawi Putih (Brassica chinensis L.).
Abstract – It has been conducted a research to characterize the optical and electrical properties of Sawi Putih (Brassica
chinensis L.) extract in order to utilize as a Dye Sensitized Solar Cell (DSSC). This research was conducted at the
Laboratory of Materials, FMIPA University of Sebelas Maret (UNS). The absorbance test that is conducted using UVVisible Spectrophotometer Lambda 25 indicates that the natural dyes from sawi putih (Brassica chinensis L.) extract
have maximum absorbance at wavelength 434 nm and 666 nm. The current and voltage (I-V) characterization test is
conducted using Keithley 2602A set at an intensity of 250, 500 and 750 W/m2 and gain an efficiency of 0.0080%,
0.0247%, and 0.0365%, respectively. These results show that the Sawi Putih (Brassica chinensis L.) extract could be
considered as a DSSC sensitizer.
Keywords: Dye Sensitized Solar Cells (DSSC), Sawi Putih (Brassica chinensis L.).
I. PENDAHULUAN
DSSC adalah generasi ketiga sel surya yang dapat
menjadi alternatif pengganti sel surya konvensional dari
silikon. Keunggulannya yaitu material
murah,
memudahkan dalam produksi, meskipun efisiensi belum
mendekati solar sel dari silikon.
Gambar 1. Struktur DSSC [1]
Coresponding: [email protected]
Seperti gambar 1 dapat dilihat bahwa DSSC terdiri dari
4 komponen utama, yaitu sebuah semikonduktor tipe-n
seperti partikel nano TiO2, sebuah dye yang sensitif (Dye
sensitizer) terhadap penyerapan cahaya tampak, sebuah
elektrolit yang dibuat di dalam salah satu permukaan
semikonduktor dan sebuah elektroda lawan seperti platina
(Pt), karbon (C) yang membantu transfer elektron ke
elektrolit. Kaca berfungsi meneruskan cahaya agar
mengenai dye, sehingga energi cahaya diserap atom-atom
dye, terjadi eksitasi elektron menuju hole lapisan TiO2.
Selanjutnya elektron bergerak ke lapisan SnO2 sebagai
konduktor yang berfungsi meneruskan aliran elektron
yang digunakan untuk menyalakan beban (lampu), lalu
menuju lapisan SnO2 di kaca yang lain. Platina (Pt)
berfungsi sebagai katalis, yang mempercepat aliran
elektron menuju elektrolit. Di dalam elektrolit terjadi
reaksi reduksi oksidasi yang berulang-ulang.
Prinsip kerja dari DSSC berbeda dari sel surya
konvensional yang menggunakan silikon. Di dalam sel
surya silikon, proses penyerapan cahaya dan perpindahan
muatannya disebabkan oleh materi yang sama
(silikon)[1].
Dalam DSSC proses ini terjadi dalam berbagai macam
bahan, yang bertujuan menghindari ketidakmampuan
rekombinasi elektron dan hole (kekosongan elektron).
Penyerapan cahaya dan perpindahan muatan tidak terjadi
pada bahan yang sangat murni, tetapi bahan yang tidak
terlalu murni sudah cukup untuk DSSC bekerja
maksimal.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
322
Ulfa Mahfudli Fadli / Fabrikasi dan Karakterisasi Ekstrak Sawi Putih sebagai Dye Sensitized Solar Cell
Ketika terdapat arus saat terjadi hubungan singkat di
bawah pencahayaan disebut Isc. Sementara ketika tidak
ada arus mengalir maka tegangan maksimum disebut Voc.
Titik di kurva I-V menghasilkan daya maksimum
dinamakan Pin atau Pmax. Faktor pengisian adalah
karakterisasi lain dalam DSSC, yang bernilai:
FF =
Gambar 2. Prinsip Kerja tranfer Energi DSSC [1]
Pada dasarnya prinsip kerja DSSC mengkonversi
energi cahaya ke listrik dalam skala molekular dalam
bentuk reaksi dari transfer elektron.
Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi
elektron pada dye akibat absorbsi foton. Dimana ini
merupakan salah satu peran dari sifat TiO2. Ketika foton
dari sinar matahari menimpa elektroda kerja pada DSSC,
energi foton tersebut diserap oleh dye yang melekat pada
permukaan TiO2. Sehingga dye mendapatkan energi
untuk tereksitasi yang ditunjukkan dengan garis panah
berwarna hijau menuju kulit yang lebih tinggi (homo ke
lumo). Dye tereksitasi membawa energi dan diinjeksikan
ke pita konduksi pada TiO2. TiO2 berperan sebagai
akseptor elektron. Molekul dye yang ditinggalkan
kemudian dalam keadaan teroksidasi. Selanjutnya
elektron akan ditransfer melewati rangkaian luar menuju
elektroda pembanding (ektroda yang mengandung lapisan
karbon). Elektrolit yang bertindak sebagai mediator
elektron sehingga dapat menghasilkan proses siklus
dalam sel. Elektrolit menangkap elektron yang berasal
dari rangkaian luar dengan bantuan molekul
karbon/platina sebagai katalis. Elektron tereksitasi masuk
kembali ke dalam sel dan dibantu oleh karbon sehingga
dapat bereaksi dengan elektrolit yang menyebabkan
penambahan ion elektrolit pada elektron. Dibagian kiri
gambar 2 dapat dilihat konversi energi matahari ke
tegangan yang dapat dihasilkan. Dimana terdapat grafik
hubungan tegangan (V) yang dihasilkan dan energi
matahari dalam eV. Pembangkit listrik tenaga surya
tergantung dari kemampuan perangkat menghasilkan
tegangan dan arus terhadap beban eksternalnya. [2]
Gambar 3. Grafik I-V pada sel surya.
Dengan:
IMPP
= Arus saat output keluaran maksimum
VMPP
= Tegangan saat output keluaran maksimum
(1)
Dan Daya keluaran Maksimum adalah:
Atau
Pmax = Vmpp.Impp
(2)
Pmax = Voc.Isc.FF
(3)
Efisiensi konversi energi dari solar cell (η)
didefinisikan sebagai rasio dari listrik yang dihasilkan
oleh sel (P max) untuk insiden listrik di daerah
perwakilan dari sel (P light). [2]
=
(4)
DSSC tidak terlepas dari Dye (Pewarna), dalam hal ini
pewarna memiliki peranan penting sebagai penyerap
cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik.
Pada penelitian yang pernah dilakukan, pewarna dari
senyawa ruthenium complex dapat mencapai efisiensi 1112% [3].
Namun, jumlah pewarna ruthenium complex terbatas
dan harganya cukup mahal. Dengan alasan tersebut,
penelitian berkembang ke arah pencarian pewarna alami
yang diekstrak dari bunga, daun dan buah-buahan [4].
Pewarna alami yang digunakan sebagai sensitizer pada
DSSC tergolong ramah lingkungan, pembuatannya pun
mudah dan murah meskipun lifetime-nya rendah [5].
Beberapa penelitian menggunakan bahan dari platinum
(Pt) sebagai elektroda lawan pada DSSC. Pada penelitian
ini, akan digunakan platinum (Pt) sebagai elektroda lawan
pada DSSC berbahan organic ekstrak sawi putih
III. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
TiO2 yang digunakan dalam penelitian ini adalah
Titanium (IV) Oxide, anatase Titanium dioxide powder,
99,8% trace metals basis. TiO2 sebanyak 0,5 gr dilarutkan
dalam 2 ml etanol absolut diaduk selama 30 menit
menggunakan vortex stirrer. TiO2 dilapiskan di atas kaca
konduktif Fluorine Tin Oxide (FTO) dengan luasan
pendeposisian 1,5cm x 2cm menggunakan metode slip
Casting. Lapisan TiO2 yang sudah terdeposisi dipanaskan
diatas hot plate dengan kenaikan suhu 200C/menit hingga
mencapai suhu 5000C selama 50 menit.
Dalam penelitian ini digunakan dye dari ekstrak Sawi
Putih (Brassica chinensis L.), 40 gr sawi putih dihaluskan
menggunakan mortar porselin sampai halus. Sawi putih
yang sudah halus dilarutkan dalam 50 ml etanol,
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
Ulfa Mahfudli Fadli / Fabrikasi dan Karakterisasi Ekstrak Sawi Putih sebagai Dye Sensitized Solar Cell
kemudian didiamkan selama 24 jam dan disaring
menggunakan kertas saring Filter Paper 103. Setelah
penyaringan, larutan disimpan dalam wadah tertutup dan
terlindung dari sinar matahari.
Konstruksi DSSC yang digunakan adalah sistem
sandwich. Elektroda kerja berupa kaca konduktif FTO
yang telah dilapisi TiO2 yang sudah direndam dengan dye
Sawi Putih. Elektroda lawan berupa kaca konduktif FTO
yang telah dilapisi lapisan tipis Pt (Hexachloroplatinic
(IV) acid 10%).
Elektrolit terbuat dari I2/KI yang dilarutkan dalam PEG
yang kemudian ditetesi diantara elektroda lawan dan
elektroda kerja diberikan pembatas berupa keyboard
protector agar tidak terjadi hubungan arus pendek.
Elektroda kerja dan elektroda lawan yang telah ditetesi
elektrolit kemudian ditumpuk dan dijepit menggunakan
clipboard. Sandwich DSSC kemudian dikarakterisasi arus
dan tegangannya (I-V).
323
(a)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran spektrum absorbansi dilakukan dengan
cara mengambil dye yang telah direndam selama 24 jam
dengan campuran pelarut ethanol kemudian diukur
dengan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 dengan
rentang panjang gelombang yang digunakan antara 200800 nm. Berdasarkan hasil uji, didapatkan hasil sebagai
berikut:
dye sawi
Absorbansi
4
3
2
dye sawi
1
0
(b)
400
600
800
Panjang Gelombang (nm)
Gambar 4. Grafik Absorbansi Dye Sawi Putih.
Gambar 4 menunjukkan bahwa absorbansi maksimum
ekstrak sawi putih berada pada panjang gelombang
sekitar
= 434 nm dan
= 666 nm sedangkan nilai
absorbansi maksimumnya masing-masing adalah 3,5 dan
2 dalam skala maksimal 10. Absorbansi dye sawi putih
menunjukkan panjang gelombang yang cukup besar
sehingga dimungkinkan sawi putih ini mampu menyerap
energi sinar matahari dengan baik dan mampu
memaksimalkan kinerja dari DSSC.
Karakterisasi arus-tegangan (I-V) adalah suatu metode
untuk mengetahui seberapa besar kemampuan DSSC
dapat mengkonversi cahaya menjadi energi listrik.
Pengukuran dengan menggunakan Keithley 2602A
dilakukan pada keadaan gelap dan terang yaitu di bawah
penyinaran lampu halogen dengan intensitas 250, 500 dan
750 W/m2. Hasil pengujian arus dan tegangan dengan
perendaman selama 24 jam di suhu ruang ditunjukkan
pada gambar di bawah ini:
(c)
Gambar 5. Grafik I-V Dye Sawi Putih (a) 250 W/m2,
(b) 500 W/m2, (c) 750 W/m2.
Gambar 5 menunjukkan karakterisasi I-V nilai
konduktivitas dari elektrolit pada arus terang lebih besar
daripada arus gelap, dengan efisiensi nilai efisiensi
sebagai berikut:
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823
Ulfa Mahfudli Fadli / Fabrikasi dan Karakterisasi Ekstrak Sawi Putih sebagai Dye Sensitized Solar Cell
324
UCAPAN TERIMA KASIH
Peneliti mengucapkan terima kasih kepada pengelola
Laboratorium Fisika Material Fakultas MIPA UNS
Surakarta dan dukungan dari LPPM Hibah Pascasarjana
UNS tahun 2014 serta teman-teman seperjuangan.
Tabel 1. Efisiensi Sawi Putih pada intensitas 250 W/m2.
Karakteristik
Hasil
Voc
230 mV
Isc
826 A
Vmax
Imax
Efisiensi
125 mV
478 A
0,0080%
PUSTAKA
[1] Stathatos, E. Dye Sensitized Solar Cells: A New
Tabel 2. Efisiensi Sawi Putih pada intensitas 500 W/m2.
Karakteristik
Hasil
Voc
318 mV
Isc
304 A
Vmax
Imax
Efisiensi
[2]
178 mV
209 A
[3]
0,0247%
Tabel 2. Efisiensi Sawi Putih pada intensitas 750 W/m2.
Karakteristik
Hasil
Voc
388 mV
Isc
431 A
Vmax
Imax
Efisiensi
[4]
283 mV
[5]
291 A
0,0365%
Grafik tidak terlalu smooth kemungkinan terjadi
karena elektrolit yang digunakan cepat menjadi kering.
Prospective to the Solar to Electrical Energy Conversion.
Issues to be Solved for Efficient Energy Harvesting, Jurnal
of engineering Science and Technology Review 5, 2012,
pp 9-13.
Alfa, B, etal. Fabrication and Characterisation of
Titanium Dioxide Based Dye Sensitized Solar Cell using
Flame of the Forest Dye, Applied Physics Research,
Vol.4, no.1, 2012, pp 48-56.
Agustini, S, dll. Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC) Bersadarkan Fraksi Volume TiO2 Anatase-Rutile
dengan Garnicia mangostana dan Rhoeo Spathacea
sebagai Dye Fotosensitizer, vol. 2,
no. 2, 2013, pp. B131-B-136.
Zhou, H etal. Dye-Sensitized Solar Cells Using 20 Natural
Dyes As Sensitizers, Journal of Photochemistry and
Photobiology A Chemistry, 2011, pp. 188-194.
Lee, J.K. and Mengjin, Y. Progress In Light Harvesting
and Charge Injection of Dye-Sensitized Solar Cells.
Material Science and Engineering B 176, 2011, pp. 11421160.
V. KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan dapat disimpulkan bahwa:
1. Sawi Putih (Brassica chinensis L.)) memiliki nilai
absorbansi maksimum pada panjang gelombang =
434 nm dan
= 666 nm, yang menunjukkan nilai
panjang gelombang yang cukup bagus sehingga dapat
digunakan sebagai pewarna alami dalam DSSC.
2. Efisiensi yang dihasilkan oleh pewarna yang diekstrak
dari Sawi Putih (Brassica chinensis L.) sebesar
0,0080% dan 0,0247% serta 0,0365%.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015
ISSN : 0853-0823