BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Seiring dengan

BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah
Seiring dengan perkembangan peradaban manusia, tingkat kebutuhan
energi manusia juga semakin meningkat. Pemenuhan energi ini sebagian besar
berasal dari pembakaran bahan bakar fosil yang berumur jutaan tahun dan tidak
dapat diperbaharui dan sebagian kecil saja yang berasal dari penggunaan sumber
energi lain yang lebih terbarukan (Wijaya, 2012). Indonesia mengalami lonjakan
hebat dalam konsumsi energi, dari tahun 2000 hingga tahun 2004 konsumsi energi
primer Indonesia meningkat sebesar 5,2% per tahunnya. Peningkatan ini cukup
signifikan dibandingkan dengan peningkatan kebutuhan energi pada tahun 1995
hingga tahun 2000, yakni sebesar 2,9% per tahun (Kadek dan Ardha, 2009)
padahal sumber energi fosil seperti minyak bumi, batubara dan gas merupakan
sumber energi yang bersifat terbatas dan memerlukan waktu yang lama untuk
memperbaharuinya. Hal ini memaksa manusia untuk mencari sumber-sumber
energi alternatif yang dapat diperbaharui. Beberapa sumber energi terbaharui
salah satunya energi alternatif yang cukup memiliki potensi adalah energi surya
(Rahardjo dan Ira, 2005).
Seiring berkembangnya nanoteknologi, muncul sel surya generasi terbaru
yaitu DSSC (Dye Sensitized Solar Cell). DSSC ini menjadi alternatif yang
menarik pada perkembangan photovoltaic karena rendahnya harga produksi dan
ramah dalam fabrikasinya (Gratzel, 2003). Foton pada DSSC akan diserap oleh
sensitizer
kemudian
ditransfer
ke
permukaan
semikonduktor,
sehingga
semikonduktor akan berperan sebagai penerima dan pengumpul elekron yang
dibangkitkan oleh sensitizer (Gratzel, 2003). Sel surya pada DSSC berbasis
silikon, penyerapan cahaya berasal dari molekul pewarna dan separasi muatan
oleh material semikonduktor nanopartikel yang memiliki energi band gap lebar.
Saat ini telah dihasilkan efisiensi sebesar 11% dengan memanfaatkan band gap
material semikonduktor titanium dioksida (TiO2) nanopartikel (Chiba et al.,
2006). Selain menggunakan TiO2 sebagai semikonduktor, peningkatan proses
transfer molekul menggunakan pula material metal oxide anode seperti ZnO,
SnO2 dan Nb2O5 (Kun dan Mengjin, 2011).
Seng Oksida (ZnO) merupakan salah satu jenis material alternatif yang
memiliki energi band gap yang hampir sama dengan TiO2 dan mudah disintesis
dalam variasi struktur nano. Selain itu, ZnO memiliki nilai mobilitas elektron
tinggi yang berpengaruh pada proses transfer elektron. ZnO merupakan salah satu
oksida logam yang memiliki luas permukaan yang besar pada skala nanometer,
sehingga dapat meningkatkan kinerja sel surya karena luas permukaan yang besar
untuk mengapsorpsi pewarna (Uthirakumar, 2011; Zhang et al., 2009).
ZnO sebagai pelapis anti refleksi merupakan material semikonduktor
mempunyai sifat unik yang dapat diaplikasikan untuk berbagai peralatan,
misalnya bahan semikonduktor untuk sel surya (Kim et al., 2006; Suri et al.,
2007; Yang et al., 2009), sensor gas (Kashyout et al., 2010), dan piezoelectric
(Lee et al., 2005; Lin et al., 2007; Pan et al., 2012; Wang et al., 2007; Yoon et al.,
2006).
Salah satu sifat pada nanopartikel ZnO yang perlu diperhatikan adalah
perlakuan panas, yaitu kalsinasi. Proses kalsinasi dapat menghilangkan impuritas,
sehingga kemurnian nanopartikel ZnO bisa dijaga (Goswami dan Sharma, 2010).
Sebagai semikonduktor pada sel surya, fungsi ZnO adalah mengkonversi energi
foton melalui mekanisme eksitasi elektron berdasarkan perbedaan celah energinya
(Gratzel, 2001).
Salah satu struktur morfologi ZnO yang hingga sekarang masih
berkembang adalah bentuk nanopartikel ZnO yang diperoleh dengan metode
sintesis secara kimia karena prosesnya mudah (Liu et al., 2011). Material
nanopartikel ZnO dapat dihasilkan dengan banyak cara, antara lain metode
pengendapan kimiawi basah (Klingshirn, 2007; Wiberg dan Holleman, 2001,
Greenwood dan Earnshaw, 1997) sol gel (Spero, et al., 2000; Nicholson dan
Nicholson, 1998) dan solvotermal atau hidrotermal (Ferracane, 2001).
ZnO dapat disintesis dengan tiga metode yaitu metode pengendapan
kimiawi basah, sol gel dan hidrotermal. Keuntungan dari ketiga metode tersebut
adalah pada metode pengendapan kimiawi basah memiliki pengaturan morfologi
dan ukuran ZnO yang cukup baik serta seragam, sudah berbentuk koloid, mudah
untuk diambil lapisan tipisnya. Selain itu, tidak membutuhkan banyak energi dan
prosesnya sangat sederhana mudah dan aman untuk dilakukan, untuk metode
hidrotermal yaitu mampu menghasilkan produk kristal homogen yang dapat
dicapai pada temperatur yang cukup rendah (<150 °C) dengan derajat kristalinitas
yang tinggi, dapat mengurangi penggumpalan (aglomerasi) di antara partikel,
mampu menghasilkan distribusi ukuran partikel yang relatif seragam (narrow),
dan morfologi partikel yang terkontrol dan kemurnian produk yang tinggi
(Yuwono et al., 2004) sedangkan untuk metode sol gel memiliki tingkat
kemurnian yang tinggi karena tidak adanya proses pengikisan (grinding) atau pun
penekanan (pressing) dan dapat menghasilkan berbagai jenis produk dalam bentuk
serat (fiber), serbuk (powder) dengan cara yang relatif mudah dimulai dengan
larutan yang sederhana (Ismail et al., 2012).
Berdasarkan latar belakang tersebut, penelitian ini mengkaji optimasi
sintesis ZnO dengan metode sol gel, hidrotermal, dan pengendapan kimia basah
yang dapat digunakan sebagai agen anti refleksi. Optimasi sintesis ZnO dilakukan
untuk mendapatkan ZnO yang baik sebagai anti refleksi. Anti refleksi dipilih pada
teknologi DSSC untuk mengurangi refleksi sinar di daerah sinar tampak.
Penelitian ini merupakan studi pendahuluan mengenai sintesis ZnO sebagai
material yang berpotensi sebagai agen anti refleksi. Studi ini bersifat karakterisasi
hasil sintesis yang perlu ditindaklanjuti dengan studi aktivitas anti refleksi pada
penelitian yang lebih lanjut.
B. Perumusan Masalah
1. Identifikasi Masalah
Semikonduktor merupakan material yang mempunyai sifat kelistrikan
antara konduktor dan isolator. Karakteristik kelistrikan dari semikonduktor cukup
sensitif terhadap perubahan konsentrasi dan perubahan kondisi lingkungan
(Callister, 2001). Band gap untuk material semikonduktor umumnya berada
diantara 1 hingga 5 eV. Salah satu semikonduktor DSSC yang banyak dilakukan
rekayasa material adalah ZnO. Dibandingkan dengan TiO2 yang mempunyai celah
energi sebesar 3,24 eV, celah energi ZnO lebih besar yaitu sebesar 3,61 eV yang
menjadi salah satu penyebab tingkat konversi energi sel surya berbasis ZnO lebih
rendah dibandingkan dengan sel surya berbasis TiO2. Hal ini dikarenakan
kemampuan eksitasi elektron pada ZnO yang rendah saat terkena foton dari
cahaya matahari. Namun ZnO mempunyai photoactivity yang lebih tinggi pada
radiasi sinar ultraviolet dan sinar tampak. ZnO juga mempunyai efisiensi yang
lebih tinggi dalam memproduksi OH• dan mengurangi efek rekombinasi
(Ooyama, dan Harima, 2012; Udom et al., 2013). Selain itu, harga yang relatif
murah dari material pembentuk ZnO menjadikan semikonduktor ini bayak diteliti
untuk menghasilkan DSSC dengan harga yang terjangkau dan kompetitif. Pada
skala nanometer, ZnO merupakan salah satu oksida logam yang memiliki luas
permukaan yang besar. Dengan sifatnya yang demikian, telah ditunjukkan bahwa
lapisan tipis fotoelektroda secara signifikan dapat meningkatkan kinerja sel surya
karena luas permukaan yang besar untuk mengapsorpsi pewarna (Uthirakumar,
2011).
Nanopartikel ZnO dapat disintesis dengan banyak cara, antara lain
metode pengendapan kimiawi basah, sol gel dan hidrotermal (Lee et al., 2003).
Keuntungan dari ketiga metode
tersebut adalah pengaturan morfologi serta
ukuran ZnO yang cukup baik dan seragam serta sudah berbentuk koloid, sehingga
mudah untuk diambil lapisan tipisnya. Selain itu, tidak membutuhkan banyak
energi dan prosesnya sangat sederhana, mudah dan aman untuk dilakukan. Pada
penelitian sintesis nanopartikel seng oksida (ZnO) untuk aplikasi DSSC dilakukan
dengan menggunakan tiga metode sintesis yaitu metode pengendapan kimia
basah, sol gel dan hidrotermal dengan variasi konsentrasi dan suhu kalsinasi untuk
mengetahui performa optimum dalam fabrikasi lapis tipis DSSC. Suhu kalsinasi
pada proses pembentukan nanokristalin ZnO sangat mempengaruhi ukuran kristal
ZnO yang terbentuk. Ukuran kristal maupun partikel dari material ZnO akan
mempengaruhi % reflektivitas dari material ZnO (Yun-Ju et al., 2008). Selain
suhu kalsinasi, pengaruh konsentrasi basa juga sangat penting untuk mengetahui
perbedaan partikel ZnO yang dihasilkan dikarenakan natrium hidroksida (NaOH)
merupakan basa kuat yang pada pelarut etil alkohol akan bereaksi dengan seng
asetat membentuk
ZnO (Hu et al., 2003). Menurut Wahab et al (2009),
konsentrasi NaOH yang tinggi akan menyebabkan kristalit yang dihasilkan juga
semakin besar. Semakin besar pH yang digunakan atau semakin dalam kondisi
basa maka kemurnian ZnO yang terbentuk juga semakin tinggi (Nugroho et al.,
2012).
Selain itu, ZnO digunakan sebagai anti refleksi untuk meningkatkan
efisiensi konversi energi pada aplikasi DSSC. Hal ini mengingat bahwa cahaya
foton yang mengenai sel surya masih belum terserap secara maksimal (Boden dan
Bagnall, 2006). Sebagian besar cahaya yang masuk ke permukaan DSSC masih
direfleksikan dan hanya terserap relatif rendah yaitu 30-40% (Park et al., 2012;
Mizuta, 2006; Cheng et al., 2008). Oleh karena itu, perlu dikaji lebih lanjut
pengaruh adanya lapisan anti refleksi ZnO dengan metode kimiawi basah, sol gel
dan hidrotermal dalam aplikasi DSSC untuk mengetahui efisiensi yang dihasilkan.
2. Batasan Masalah
Berbagai permasalahan yang timbul dalam penelitian ini dibatasi sebagai
berikut:
1. ZnO nanopartikel pada metode sol gel dikalsinasi dengan suhu 400, 500, dan
600 oC menggunakan penambahan NaOH 12 M.
2. ZnO nanopartikel pada metode sol gel menggunakan variasi konsentrasi NaOH
8 M, 10 M, dan 12 M yang dikalsinasi dengan suhu 600 oC.
3. Metode pengendapan kimia basah menggunakan NaOH 12 M dengan suhu
kalsinasi 600 oC.
4. Metode hidrotermal menggunakan NaOH 12 M dengan variasi suhu kalsinasi
400, 500 dan 600 oC
5. Prekursor yang digunakan adalah seng asetat 1,095 g.
3. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang dan batasan masalah yang telah dipaparkan
diatas, maka rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh variasi konsentrasi NaOH 8 M, 10 M, dan 12 M dalam
sintesis ZnO nanopartikel dengan metode sol gel?
2. Bagaimana pengaruh variasi suhu kalsinasi 400, 500, dan 600 oC pada metode
sol gel dan hidrotermal dengan menggunakan NaOH 12 M?
3. Bagaimana sintesis optimum dari ZnO anti refleksi dalam metode pengendapan
kimiawi basah, sol gel dan hidrotermal dalam kalsinasi 600 oC dengan
menggunakan NaOH 12 M?
C. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui pengaruh variasi konsentrasi NaOH 8 M, 10 M, dan 12 M dalam
sintesis ZnO nanopartikel dengan metode sol gel.
2. Mengetahui pengaruh variasi suhu kalsinasi 400, 500, dan 600 oC pada metode
sol gel dan hidrotermal dengan menggunakan NaOH 12 M.
3. Mengetahui sintesis optimum dari ZnO anti refleksi dalam metode
pengendapan kimiawi basah, sol gel dan hidrotermal dalam kalsinasi 600 oC
dengan menggunakan NaOH 12 M.
4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan sumbangan informasi
mengenai metode optimum sintesis material semikonduktor ZnO anti refleksi
untuk aplikasi DSSC dan mampu memberikan kontribusi ilmiah teknologi sel
surya untuk mendukung program ketahanan energi nasional.