Fabrikasi Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Penelitian
Pertumbuhan jumlah penduduk serta kemajuan pembangunan pada bidang teknologi,
industri dan informasi membawa dampak terhadap meningkatnya kebutuhan energi. Hal ini
tentunya akan menimbulkan permasalahan baru yaitu kekurangan sumber energi. Seperti yang
diketahui bahwa selama ini kebutuhan energi masih mengandalkan bahan bakar fosil, namun
disisi lain sumber energi fosil merupakan sumber energi yang tidak terbaharukan. Oleh karena
itu diperlukan sumber energi alternatif yang dapat menggantikan sumber energi fosil. Sumber
energi alternatif yang dapat dijadikan solusi adalah sistem konversi energi yang memanfaatkan
sumber daya energi terbarukan, seperti: energi matahari, energi angin, energi air, biomassa,
panas bumi [1,2]. Sumber energi matahari jumlahnya sangatlah besar dan melimpah, maka
sangat memungkinkan jika energi matahari dijadikan sebagai sumber energi alternatif
pengganti energi fosil. Dengan demikian maka diperlukan sistem yang dapat mengkonversi
energi matahari menjadi energi listrik [1,2,3].
Untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik, seorang peneliti bernama
Michael Gratzel telah berhasil mengembangkan sistem sel surya tersintesa pewarna atau yang
dikenal dengan Dye Sensitized Solar Cel (DSSC). Sistem sel surya DSSC ini menggunakan pigmen
antosianin dari alam sebagai fotosensitizer sel surya [4,5].
1.2 Antosianin
Antosianin merupakan pigmen larut air yang secara alami terdapat pada berbagai jenis
tumbuhan dan buah-buahan. Pigmen tersebut akan memberikan warna merah, biru dan ungu
pada buah, bunga dan daun yang masuk dalam klas flavonoids. Senyawa antosionin yang
paling banyak ditemukan adalah pelargonidin (orange), cyanidin (orange-merah), peonidin
(orange-merah), delphinidin (biru-merah), petunidin (biru-merah) dan malvidin (biru-merah)
[6]. Antosianin memiliki struktur kimia yang terdiri dari kation tujuh hydroxy flavilium, molekul
ini berfungsi dalam penyerapan cahaya dan membentuk warna seperti ditunjukkan pada
Gambar 1. Antosianin yang terbentuk secara alami mempunyai group hydroxyl (HO-) pada
posisi 3 dan selalu terhubung dengan molekul glukosa yang dibutuhkan untuk kesetimbangan
termal dan posisi 5 terdapat satu atau lebih group hydroxyl atau methoxy (CH3O-) pada cincin
B. Ragam warna yang diperlihatkan oleh antosianin tergantung pada nomor dan posisi dari
gugusan yang ada [6].
1
Gambar 1. a. Struktur kimia dasar dari antosianin, b. Dua macam struktur kimia antosianin
dalam media asam dan basa, c. Rangkaian mekanisme antosianin dengan TiO2 [6].
1.3 Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Struktur Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) terdiri dari sepasang substrat kaca berlapis TCO
(Transparent Conducting Oxide) yang berperan sebagai elektroda dan counter elektroda. Pada
elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, dan disensitisasi
dye antosianin sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan untuk counter elektroda dilapisi
katalis dengan dideposisi menggunakan lapisan karbon untuk mempercepat reaksi redoks.
Kedua elektroda kemudian disusun dengan struktur sandwich dengan dipisahkan oleh
elektrolit redoks (I-/I3-), seperti yang tunjukkan pada Gambar 2 [7,8].
Gambar 2. Skema Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) [9] dengan modifikasi gambar.
Skema prinsip kerja dari Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) ditunjukkan pada gambar 3. Energi
foton diserap oleh dye (D) sehingga elektron berpindah dari level energi terendah (HOMO) ke
level energi tertinggi (LUMO).
D + cahaya
D*
Pada keadaan tereksitasi (D*) dye menginjeksi elektron menuju pita konduksi (conduction
band/CB) semi konduktor TiO2. Kemudian elektron tersebut melewati TiO2 menuju elektroda
ITO dan selanjutnya elektron mengalir menuju elektroda lawan (counter elektroda) melalui
rangkaian eksternal.
e- (TiO2) + D+
D* + TiO2
2
Selanjutnya elektron masuk kembali ke dalam sel dan mereduksi (I+) yang ada pada elektrolit.
Setelah itu dye teroksidasi (D+) menerima elektron dari (I3-) dan tergenerasi kembali menjadi
(D) [7].
D+ + e- (TiO2)
D + TiO2
2
2 D+ + 3I-
2D + I3-
Gambar 3. Prinsip kerja sel surya nanopartikel TiO2 tersensitisasi dye [7] dengan modifikasi
gambar.
1.4 Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya DSSC
Pengukuran konversi energi cahaya menjadi energi listrik digambarkan dalam kurva arustegangan (I-V) seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. Kurva Arus-Tegangan (I-V) sel surya DSSC [10] dengan modifikasi gambar.
3
Gambar 4. menunjukkan tegangan rangkaian buka atau tegangan open circuit (Voc),
tegangan maksimum (Vmax), arus rangkaian pendek atau arus sort circuit (Isc), dan arus
maksimum (Imax). Tegangan rangkaian buka (Voc) dihasilkan ketika sel dalam kondisi open circuit
sehingga tidak ada arus yang mengalir dalam rangkaian. Sedangkan arus rangkaian pendek (Isc)
dihasilkan pada saat sel dalam kondisi sort circuit sehingga arus akan mengalir [3].
1.5 Derajat Keasaman (pH)
pH atau derajat keasaman merupakan ukuran konsentrasi ion hidrogen yang menunjukkan
keasaman atau kebasaan suatu zat. Besarnya nilai pH bervariasi, yaitu dari 1 hingga 14. Larutan
yang netral memiliki pH bernilai 7, sedangkan larutan asam memiliki nilai pH ˂ 7, dan larutan
basa memiliki nilai pH ˃ 7.
Kondisi pH sangat mempengaruhi stabilitas/kesetimbangan dari larutan ekstrak antosianin.
Larutan antosianin memiliki lima bentuk kesetimbangan yang bergantung pada kondisi pH,
yaitu kation flavilium, basa karbinol, kalkon, basa quinonoidal, dan quinonoidal anionik. Ketika
dalam kondisi pH yang sangat asam, antosianin memiliki bentuk kation flavilium, dimana
antosianin berada pada kondisi paling stabil dan paling berwarna. Sedangkan pada pH yang
lebih basa, antosianin akan berwarna kuning (bentuk kalkon), berwarna biru (bentuk
quinouid), atau tidak berwarna (basa karbinol) [11].
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Lidya Pancaningtyas dan Syafsir Akhlus.Peranan Elektrolit pada Performa Sel Surya
Pewarna Tersensitisasi (SSPT). ITS : Surabaya.
[2]. Hardeli,dkk. Pembuatan Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Ubi Jalar
Ungu, Wortel dan Kunyit Sebagai Sumber Zat Warna. UNP: Padang.
[3]. Maya Sukma Widya Kumara dan Gontjang Prajitno, 2012. Studi Awal Fabrikasi Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Menggunakan Ekstraksi Daun Bayam (Amaranthus
Hybridus L.) sebagai Dye Sensitizer dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya pada DSSC.
Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.
[4]. Grätzel, Michael, 2003. Dye-Sensitised Solar Cells, journal of Photochemistry and
Photobiology. Vol.4, 145-153.
[5]. Grätzel, Michael, 2005. Photovoltaic performance and long-term stability of dye-sensitized
meosocopic solar cells. C. R. Chimie 9 (2006) 578–583.
[6]. J. M. R. C. Fernando, G.K.R. Senadeera, 2008. Natural anthocyanins as photosensitizer for
dye-sensitized solar devices. Current Science, Vol. 95, No.5.
[7]. Akhiruddin Maddu, Mahfuddin Zuhri, dan Irmansyah, 2007. Penggunaan Ekstrak
Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi
Dye, Makara, Teknologi, Vol. 11 No. 2.
[8]. Wilman Septina,dkk., 2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan OrganikInorganik (Dye-sensitized Solar Cell). Institut Teknologi Bandung : Bandung.
[9]. Smestad, G.P., dan Gratzel, M., 1998. Demonstrating electron Transfer and
Nanotechnology : A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline energy Converter. J.Chem.
Educ., 75, 752-756.
[10]. Marinado,T., 2009. Photoelectrochemical studies of dye sensitized solar cells using
organic dyes. Kungliga Tekniska Högskolan : Stockholm.
[11]. Seafast Center, 2012. Merah-Ungu Antosianin, Pewarna Alami untuk Pangan (23-43).
4
BAB II
STUDI AWAL EKSTRAK ANTOSIANIN STRAWBERRY SEBAGAI
FOTOSENSITIZER DALAM PEMBUATAN PROTOTIPE
DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
Mochamad Choirul Misbachudin1,2,Suryasatriya Trihandaru1,2, Adita Sutresno1,2
E-mail : [email protected]
1
Progam Studi Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Matematika
2
Progam Studi Fisika Fakultas Sains dan Matematika
Universitas Kristen Satya Wacana
Jln. Diponegoro No. 52-60 Salatiga
Abstrak-Berbagai penelitian telah dikembangkan guna mencari sumber energi alternatif yang
dapat menjadi solusi pengganti sumber energi tak terbaharukan yang semakin lama semakin
menipis. Sumber energi alternatif terbaharukan yang sangat mungkin untuk dikembangkan
salah satunya adalah Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) yang menggunakan pigmen antosianin
sebagai dye sensitizernya. Dalam penelitian ini telah dilakukan ekstraksi antosianin strawberry
dengan perbandingan campuran pelarut antara metanol, asam asetat, dan aquades yang
berbeda. Perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades dalam ekstraksi
antosianin strawberry ini, yaitu 20:4:26; 25:4:21 dan 30:4:16. Hasil penelitian menunjukkan
bahwa perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades yang terbaik
adalah 25:4:21 dengan hasil konsentrasi antosianin strawberry tertinggi yaitu sebesar 11,5
mg/100 gr. Sedangkan konsentrasi terendah didapatkan dari campuran pelarut metanol, asam
asetat, dan aquades dengan perbandingan 30:4:16, yaitu dengan hasil konsentrasi antosianin
strawberry sebesar 6,4 mg/100 gr. Dari data tersebut menunjukkan bahwa perbandingan
campuran pelarut untuk ekstraksi antosianin strawberry yang paling efektif adalah dengan
perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades 25:4:21.
Kata kunci : antosianin, dye-sensitizer, Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), sel surya.
5
I. PENDAHULUAN
Seiring dengan meningkatnya pertumbuhan penduduk serta peningkatan
pembangunan di bidang teknologi, industri dan informasi membuat kebutuhan energi juga
akan semakin meningkat. Peningkatan ini tentunya akan menimbulkan permasalahan baru
yaitu kekurangan sumber energi. Berdasarkan survey yang dilakukan oleh para ahli mengenai
masalah terbesar yang akan dihadapi manusia untuk 50 tahun mendatang, ternyata energi
menduduki peringkat pertama [1]. Selama ini kebutuhan energi listrik masih mengandalkan
bahan bakar fosil dan pembangkit listrik lainnya, sehingga berdampak semakin berkurangnya
ketersedianan sumber daya energi fosil khususnya minyak bumi. Namun disisi lain jumlah
cadangan sumber energi fosil terus berkurang, sementara proses pembentukannya dibutuhkan
waktu yang sangat lama bahkan bertahun-tahun.
Saat ini semakin gencar dilakukan berbagai penelitian guna mencari sumber energi
alternatif yang dapat menjadi solusi dari permasalahan ini. Sistem penyediaan energi listrik
yang dapat dijadikan solusi adalah sistem konversi energi yang memanfaatkan sumber daya
energi terbarukan, seperti: energi matahari, energi angin, energi air, biomassa, panas bumi
[2,3]. Energi matahari merupakan sumber energi yang tersedia dalam jumlah yang sangat
besar dan melimpah, sehingga sangat memungkinkan untuk dijadikan sebagai solusi pengganti
dari sumber daya energi fosil.
Seorang peneliti, Michael Gratzel telah berhasil mengembangkan sistem sel surya
tersintesa pewarna ( Dye Sensitized Solar Cell) [4,5]. Keunggulan dari bio sel surya yang
dikembangkan Gratzel ini diantaranya yaitu proses pembuatannya yang mudah dan tidak
terlalu rumit. Selain itu, karena bahan dasarnya banyak tersedia di pasaran maka biaya
pembuatannya juga relatif murah [6].
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) terdiri dari sepasang substrat kaca berlapis bahan TCO
(Transparent Conducting Oxide) yang saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai
elektroda dan counter elektroda dan dipisahkan oleh elektrolit redoks yang kemudian disusun
dengan struktur sandwich, seperti yang dilihatkan pada Gbr. 1. Pasangan redoks yang sering
kali digunakan yaitu I-/I3- (iodide/triiodide). Pada TCO counter elektroda dilapisi katalis berupa
lapisan karbon untuk mempercepat reaksi redoks. Sedangkan pada elektroda dideposisikan
lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi dye antosianin sebagai
fotosensitizer [6,7].
Gbr. 1. Skema SDye Sensitized Solar Cell (DSSC) [8].
6
Pada penelitian ini dilakukan kajian terhadap karakteristik ekstrak antosianin
strawberry sebagai fotosensitizer dalam pembuatan prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC).
Antosianin ini sendiri merupakan pigmen larut air yang secara alami terdapat pada berbagai
jenis tumbuhan. Pigmen tersebut akan memberikan warna merah, biru dan ungu pada buah,
bunga dan daun yang masuk dalam klas flavonoids. Senyawa antosionin yang paling banyak
ditemukan adalah pelorgonidin (orange), cyanidin (orange-merah), peonidin (orange-merah),
delphinidin (biru-merah), petunidin (biru-merah) dan malvidin (biru-merah) [9].
Antosianin memiliki struktur kimia yang terdiri dari kation tujuh hydroxyflavilium,
molekul ini berfungsi dalam penyerapan cahaya dan membentuk warna seperti ditunjukkan
pada Gbr. 2. Antosianin yang terbentuk secara alami mempunyai group hydroxyl (HO-) pada
posisi 3 dan selalu terhubung dengan molekul glukosa yang dibutuhkan untuk kesetimbangan
termal dan posisi 5 terdapat satu atau lebih group hydroxyl atau methoxy (CH3O-) pada cincin
B. Ragam warna yang diperlihatkan oleh antosianin tergantung pada nomor dan posisi dari
gugusan yang ada [9].
Gbr. 2. a. Struktur kimia dasar dari antosianin, b. Dua macam struktur kimia antosianin
dalam media asam dan basa, c. Rangkain mekanisme antosiani dengan TiO2 [9].
II. METODOLOGI
A. Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan adalah buah strawberry, sedangkan bahan kimia yang digunakan
yaitu methanol, asam asetat, aquades, KCL, CH3CO2Na.3H2O, HCL.
Alat yang digunakan untuk ekstraksi adalah erlenmeyer, beaker glass, pipet, mortar, pisau,
kertas saring, corong, alumunium foill, kertas tisu, timbangan digital, gelas ukur. Sedangkan
alat yang digunakan untuk analisa adalah kuvet, pipet ukur, pH Indikator Acilit,
Spektrofotometer UV-Vis Optizen 2120 UV.
B. Ekstraksi Antosianin Strawberry
Buah strawberry yang masih segar ditimbang sebanyak 40 gram dan ditumbuk dengan
mortar sampai halus. Kemudian dimasukkan dalam erlenmeyer dan selanjutnya direndam
dengan campuran pelarut 40 ml metanol, 8 ml asam asetat, dan 52 ml aquades selama 24 jam.
Selama ekstraksi dilakukan erlenmeyer dilapisi dengan alumunium foil. Setelah disimpan
7
selama 24 jam, ekstrak antosianin disaring dengan menggunakan kertas saring (filter) dan
dimasukkan ke dalam botol gelap atau botol yang telah dilapisi dengan alumunium foil.
Dengan cara yang sama, ekstraksi dilakukan lagi sebanyak 2 kali dengan menggunakan
campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan masing-masing
50:8:42 dan 60:8:32. Ekstraksi dilakukan sebanyak 3 kali dengan perbandingan campuran
pelarut yang berbeda-beda dengan tujuan agar mendapatkan campuran pelarut yang terbaik
untuk ekstraksi antosianin strawberry.
C. Analisa Ekstraksi Antosianin Strawberry dengan Spektrofotometer UV-Vis
Ekstrak antosianin strawberry kemudian diuji spektrum absorpsinya dengan menggunakan
Spektrofotometer UV-Vis. Larutan hasil ekstraksi antosianin strawberry yang telah didapat di
masukkan dalam kuvet dan diukur spektrum serapan optiknya dengan spektrofotometer UVVis pada panjang gelombang (wavelength) 400-700 nm.
Gbr. 3. Hasil ekstrak antosianin strawberry
Berdasarkan hasil pengukuran yang telah dilakukan terhadap ekstrak antosianin
strawberry dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis, maka didapatkan spektrum
serapan dari ekstrak antosianin strawberry dengan berbagai perbandingan campuran pelarut
metanol, asam asetat, dan aquades. Untuk perbandingan campuran pelarut metanol, asam
asetat, dan aquades 20:4:26 (sampel 1), terlihat bahwa spektrum serapan maksimum ekstrak
antosianin strawberry terletak pada panjang gelombang (λmax) 510 nm dengan absorbansi
sebesar 2,7959. Kemudian untuk hasil pengukuran ekstrak antosianin dengan perbandingan
campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades 25:4:21 (sampel 2), terlihat bahwa
spektrum serapan maksimum ekstrak antosianin strawberry terletak pada panjang gelombang
(λmax) 510 nm dengan absorbansi sebesar 3,1549. Sedangkan untuk hasil pengukuran ekstrak
antosianin dengan perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades
30:4:16 (sampel 3), diketahui bahwa spektrum serapan maksimum ekstrak antosianin
strawberry terletak pada panjang gelombang (λmax) 510 nm dengan absorbansi sebesar 1,9747.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisa Konsentrasi Antosianin Strawberry dengan Spektrofotometer UV-Vis
Analisa ekstrak antosianin strawberry dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis
dilakukan untuk menguji spektrum absorpsinya sehingga dapat diketahui daerah serapan
panjang gelombang maksimum dan konsentrasi antosianin yang terkandung dalam ekstrak
strawberry [10].
8
Untuk pengukuran jumlah konsentrasi antosianin dilakukan dengan cara mengambil
beberapa mililiter larutan ekstrak antosianin, yang kemudian diencerkan dengan larutan pH
1.0 dan pH 4.5. Larutan pH 1.0 dibuat dengan campuran 1,86 gram KCL dan 980 ml aquades,
yang selanjutnya diukur dan diatur pH nya dengan larutan HCL sehingga didapatkan larutan pH
1.0. Untuk pH 4.5 dibuat dengan campuran 54,43 gram CH3CO2Na.3H2O dan 980 ml aquades,
kemudian diukur dan diatur pH nya dengan larutan HCL sehingga didapatkan larutan pH 4.5.
Setelah larutan antosianin diencerkan dengan larutan pH 1.0 dan pH 4.5 kemudian diukur
dengan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 400-700. Hasil pengukuran untuk
pengenceran dengan larutan pH 1.0 seperti ditunjukkan pada Gbr. 5.
Gbr. 4. Hasil pengenceran ekstrak antosianin strawberry dengan pengenceran pH 1.0
1.2
1
1
2
Abs
3
0.5
0
400
500
600
700
Wavelength (nm)
Gbr. 5. Spektrum absorbansi ekstrak antosianin strawberry dengan pengenceran pH 1.0. (1).
sampel 1, (2). sampel 2, (3). sampel 3.
Sedangkan hasil pengukuran untuk pengenceran dengan larutan pH 4.5 seperti
ditunjukkan pada Gbr. 7.
Gbr. 6. Hasil pengenceran ekstrak antosianin strawberry dengan pengenceran pH 4.5
9
0.4
Abs
0.3
0.2
0.1
2
1
3
0
-0.1
400
500
600
700
Wavelength (nm)
Gbr. 7. Spektrum absorbansi ekstrak antosianin strawberry dengan pengenceran pH 4.5. (1).
sampel 1, (2). sampel 2, (3). sampel 3.
Data hasil pengukuran spektrofotometer UV-Vis selanjutnya dianalisa dengan perumusan
yang digunakan oleh Giusti et.al. [11] sehingga didapatkan jumlah konsentrasi antosianin yang
terkandung dalam larutan. Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa perbandingan
campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades yang terbaik untuk ekstraksi antosianin
strawberry adalah 25:4:21, dengan hasil konsentrasi antosianin strawberry tertinggi yaitu
sebesar 11,5 mg/100 gr. Untuk perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan
aquades 20:4:26 menghasilkan konsentrasi antosianin strawberry sebesar 10,25 mg/100 gr.
Sedangkan konsentrasi terendah didapatkan dari campuran pelarut metanol, asam asetat, dan
aquades dengan perbandingan 30:4:16, yaitu dengan hasil konsentrasi antosianin strawberry
sebesar 6,4 mg/100 gr. Dari data tersebut menunjukkan bahwa perbandingan campuran
pelarut untuk ekstraksi antosianin strawberry yang paling efektif adalah dengan perbandingan
campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades 25:4:21.
B. Analisa Ekstrak Antosianin dengan Sel Surya
Ekstrak antosianin strawberry (sampel 1, sampel 2, dan sampel 3) kemudian diujikan pada
rangkaian sel surya. Hasil pengujian masing-masing sampel pada sel surya ( Gbr. 8 ) dengan
menggunakan sumber cahaya lampu halogen disajikan dengan grafik hubungan tegangan
terhadap waktu seperti pada Gbr. 9.
Gbr. 8. Rangkaian Sel SuryaDSSC
10
520
500
480
460
Tegangan (mV)
440
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
0
20
sampel 1
40
60
Waktu (menit)
sampel 2
80
100
sampel 3
Gbr. 9. Hubungan Tegangan terhadap Waktu
Dari grafik hubungan antara tengangan terhadap waktu, terlihat bahwa ketiga sampel
yang diujikan pada sel surya memiliki tegangan keluaran yang berbeda-beda. Pengujian
terhadap sampel 1, didapatkan tegangan rata-rata sebesar 420,1 mV. Untuk pengujian
terhadap sampel 2 menghasilkan tegangan rata-rata paling tinggi yaitu sebesar 516,6 mV.
Sedangkan pengujian terhadap sampel 3 menghasilkan tegangan rata-rata paling rendah yaitu
sebesar 271,3 mV.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa ekstraksi antosianin strawberry
menggunakan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan
25:4:21 dapat menghasilkan konsentrasi antosianin yang paling baik yaitu sebesar 11,5 mg/100
gr. Setelah dilakukan pengujian pada solar sel untuk ekstrak antosianin strawberry dengan
konsentrasi 11,5 mg/100 gr menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 516,6 mV. Hasil
pengujian terhadap ekstrak antosianin dengan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
tersebutmenunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi antosianin, maka semakin tinggi pula
tegangan keluaran yang dihasilkan.
DAFTAR PUSTAKA
[1].
[2].
[3].
[4].
Pengembangan
Energi
Terbarukan
Sebagai
Energi
Aditif
di
Indonesia.http://www.elektroindonesia.com/elektro/energi5a.html.
Lidya Pancaningtyas dan Syafsir Akhlus. Peranan Elektrolit pada Performa Sel Surya
Pewarna Tersensitisasi (SSPT). ITS : Surabaya.
Hardeli,dkk. Pembuatan Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Ubi
Jalar Ungu, Wortel dan Kunyit Sebagai Sumber Zat Warna. UNP: Padang.
Grätzel, Michael, 2003. Dye-Sensitised Solar Cells, journal of Photochemistry and
Photobiology. Vol.4, 145-153.
11
[5].
[6].
[7].
[8].
[9].
[10].
[11].
Grätzel, Michael, 2005. Photovoltaic performance and long-term stability of dyesensitized meosocopic solar cells. C. R. Chimie 9 (2006) 578–583.
Akhiruddin Maddu, Mahfuddin Zuhri, dan Irmansyah, 2007. Penggunaan Ekstrak
Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal
Tersensitisasi Dye, Makara, Teknologi, Vol. 11 No. 2.
Smestad, G.P., dan Gratzel, M., 1998. Demonstrating electron Transfer and
Nanotechnology : A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline energy Converter. J.Chem.
Educ., 75, 752-756.
Wilman Septina,dkk., 2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan
Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell). Institut Teknologi Bandung : Bandung.
J. M. R. C. Fernando, G.K.R. Senadeera, 2008, Natural anthocyanins as photosensitizer
for dye-sensitized solar devices, Current Science, Vol. 95, No.5.
Maya Sukma Widya Kumara dan Gontjang Prajitno, 2012. Studi Awal Fabrikasi Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Menggunakan Ekstraksi Daun Bayam (Amaranthus
Hybridus L.) sebagai Dye Sensitizer dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya pada DSSC.
Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.
M. Monica Giusti and Ronald E. Wrolstad, 2001.Characterization and Measurement of
Anthocyanin by UV-Visible Spectroscopy. Current Protocols in Food Analytical
Chemistry.
12
BAB III
PEMBUATAN PROTOTIPE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) DENGAN
MEMANFAATKAN EKSTRAK ANTOSIANIN STRAWBERRY
Mochamad Choirul Misbachudin1,2, Suryasatriya Trihandaru1,2, Adita Sutresno1,2
1
Progam Studi Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Matematika
2
Progam Studi Fisika Fakultas Sains dan Matematika
Universitas Kristen Satya Wacana
Jln. Diponegoro No. 52-60 Salatiga
[email protected]
ABSTRAK
Telah dilakukan pembuatan prototipe Dye Sensitized Solar Cell(DSSC) dengan fotosensitizer
ekstrak antosianin strawberry. Sel surya tersensitisasi dye ini terdiri dari sepasang substrat
kaca yang telah dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide) yang saling berhadapan. Kaca
tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan dipisahkan oleh elektrolit
redoks (I-/I3-) yang kemudian disusun dengan struktur sandwich. Pada elektroda dideposisikan
lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi dye antosianin sebagai
fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada counter elektroda dilapisi dengan lapisan karbon.
Ekstraksi antosianin strawberry dilakukan dengan menggunakan perbandingan campuran
pelarut metanol, asam asetat, dan aquades (25:4:21). Pada penelitian ini dilakukan
perendaman sel dalam larutan dye antosianin dengan konsentrasi yang berbeda-beda, masingmasing 100% (larutan yang tidak diencerkan), 50% (larutan yang diencerkan 2 kali), dan 25%
(larutan yang diencerkan 4 kali). Pengujian sel surya dilakukan dengan penyinaran
menggunakan lampu halogen 50 Watt pada jarak 30 cm. Hasil pengujian sel-sel tersebut
menunjukkan bahwa konsentrasi larutan dye antosianin berpengaruh terhadap keluaran dari
sel surya. Semakin tinggi konsentrasi larutan dye antosianin maka tegangan dan arus keluaran
sel surya akan semakin besar.
Kata kunci : antosianin, dye-sensitizer, Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), sel surya.
13
D.
PENDAHULUAN
Dewasa ini di Indonesia maupun dunia sedang gencar dilakukan berbagai penelitian guna
mencari sumber energi alternatif sebagai pengganti energi fosil. Seperti yang diketahui bahwa
jumlah energi matahari sangatlah besar dan melimpah. Dengan jumlahnya yang sangat besar
dan melimpah, maka sangat memungkinkan jika energi matahari dijadikan sebagai sumber
energi listrik alternatif pengganti energi fosil. Untuk mewujudkannya maka perlu
dikembangkan sistem yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik [4,5,6].
Sebagai sistem yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik, seorang
peneliti yang bernama Michael Gratzel telah berhasil mengembangkan sistem sel surya
tersintesa pewarna atau yang dikenal dengan Dye Sensitized Solar Cel (DSSC). Sistem sel surya
yang dikembangkan Gratzel ini menggunakan pigmen antosianin dari alam sebagai
fotosensitizer sel surya [2,3].
Pada penelitian ini dilakukan kajian terhadap pembuatan prototipe Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) dengan memanfaatkan ekstrak antosianin strawberry sebagai dye sensitizernya.
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) ini terdiri dari sepasang substrat kaca berlapis bahan TCO
(Transparent Conducting Oxide) yang saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai
elektroda dan counter elektroda dan dipisahkan oleh elektrolit redoks yang kemudian disusun
dengan struktur sandwich, seperti yang dilihatkan pada gambar 1. Pasangan redoks yang
sering kali digunakan yaitu I-/I3- (iodide/triiodide). Pada TCO counter elektroda dilapisi katalis
berupa lapisan karbon untuk mempercepat reaksi redoks. Sedangkan pada elektroda
dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi dye
antosianin sebagai fotosensitizer [1,9].
Gambar 1. Skema Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) [8] dengan modifikasi gambar.
Skema prinsip kerja dari Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) ditunjukkan pada gambar 2.
Energi foton diserap oleh dye (D) sehingga elektron berpindah dari level energi terendah
(HOMO) ke level energi tertinggi (LUMO).
D*
D + cahaya
Pada keadaan tereksitasi (D*) dye menginjeksi elektron menuju pita konduksi (conduction
band/CB) semi konduktor TiO2. Kemudian elektron tersebut melewati TiO2 menuju elektroda
TCO dan selanjutnya elektron mengalir menuju elektroda lawan (counter elektroda) melalui
rangkaian eksternal.
e- (TiO2) + D+
D* + TiO2
14
Selanjutnya elektron masuk kembali ke dalam sel dan mereduksi (I+) yang ada pada elektrolit.
Setelah itu dye teroksidasi (D+) menerima elektron dari (I3-) dan tergenerasi kembali menjadi
(D) [1].
D+ + e- (TiO2)
D + TiO2
2 D+ + 3I-
2D + I3-
Gambar 2. Prinsip kerja sel surya nanopartikel TiO2 tersensitisasi dye [1].
II. METODOLOGI PENELITIAN
1. Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan adalah buah strawberry, substrat kaca berlapis TCO (Transparent
Conducting Oxide), Titanium dioxide (TiO2), aseton, metanol, asam asetat, aquades, Potassium
Iodide (KI), Iodine (I2), Polyethylene Glycol (PEG).
Alat yang digunakan antara lain adalah multimeter digital, cermet, Magnetic Stirrer,
isolatipe, pensil, erlenmeyer, beaker glass, pipet, mortar, pisau, kertas saring, corong,
alumunium foill, kertas tisu, timbangan digital, gelas ukur.
2. Preparasi Elektroda TiO2
Substrat kaca berlapis TCO (Transparent Conducting Oxide) diukur resistansinya dengan
menggunakan multimeter digital. Selanjutnya pada sisi kaca berlapis TCO ditutup dengan
menggunakan isolatipe seperti pada gambar 3. Untuk pembuatan larutan TiO2 dilakukan
dengan menambahkan 2 ml asetilaseton pada 2 gr koloid TiO2, lalu ditambahkan beberapa
tetes detergen (Triton X-100) untuk memfasilitasi penyebaran koloid pada substrat. Selanjutnya
dilakukan deposisi TiO2 pada substrat kaca berlapis TCO yang sebelumnya telah dibilas dengan
aseton. Setelah kering, isolatipe dibuka dan kemudian kaca TCO dipanaskan dengan suhu 3000C
selama ±30 menit.
15
Gambar 3. Skema Deposisi TiO2 pada Kaca TCO.
3. Ekstraksi Dye Antosianin
Buah strawberry yang masih segar ditimbang sebanyak 40 gram dan ditumbuk dengan
mortar sampai halus. Kemudian dimasukkan dalam erlenmeyer dan selanjutnya direndam
dengan campuran pelarut 50 ml metanol, 8 ml asam asetat, dan 42 ml aquades selama 24 jam.
Selama ekstraksi dilakukan erlenmeyer dilapisi dengan alumunium foil. Setelah disimpan
selama 24 jam, ekstrak antosianin disaring dengan menggunakan kertas saring (filter) dan
dimasukkan ke dalam botol gelap atau botol yang telah dilapisi dengan alumunium foil [1].
4. Preparasi Elektrolit
Pembuatan elektrolit terdiri dari 8,30 gr Potassium Iodide (KI) dan 1,26 gr Iodine (I2) yang
kemudian dilarutkan dalam 100 ml Polyethylene Glycol (PEG). Selanjutnya larutan elektrolit
tersebut diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer. Larutan elektrolit yang sudah jadi
kemudian disimpan dalam botol berwarna gelap atau botol yang telah dlapisi dengan
alumunium foil.
5. Preparasi Elektroda Karbon
Kaca berlapis TCO diukur resistansiya dengan menggunakan multimeter digital. Kemudian
diarsir dengan menggunakan pensil 8b. Selanjutnya kaca tersebut dibakar dengan
menggunakan api lilin hingga terbentuk lapisan karbon [5,6].
6. Pembuatan Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)
Elektroda TiO2 yang telah dibuat kemudian direndam dalam larutan ekstrak antosianin,
masing-masing pada konsentrasi 100% (larutan yang tidak diencerkan), konsentrasi 50%
(larutan yang diencerkan 2 kali), dan konsentrasi 25% (larutan yang diencerkan 4 kali). Setelah
masing-masing elektroda TiO2 direndam dalam larutan ekstrak antosianin, kemudian diangkat
dan dikeringkan dengan kertas tisu. Selanjutnya elektroda TiO2 - elektrolit - elektroda karbon,
disusun dengan struktur sandwich seperti pada gambar 4.
16
Gambar 4. Struktur sandwich DSSC
7. Karakterisasi Dye Sensitized SolarCell (DSSC)
Sel surya yang telah dibuat kemudian diukur arus dan tegangannya (I-V) dengan
menggunakan multimeter digital untuk menganalisis karakteristik hasil keluaran dari sel surya.
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya lampu halogen 50 Watt pada
jarak 30 cm. Untuk mengatur arus keluaran pada sel surya maka dipasang potensiometer
(cermet) pada rangkaian pengukur (Gambar 5).
Gambar 5. Rangkaian pengukuran DSSC [8] dengan modifikasi gambar.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Karakteristik Absorbansi Ekstrak Antosianin Strawberry
Ekstrak antosianin strawberry diukur spektrum absorbsinya dengan menggunakan
spektrofotometer UV-Vis. Pengukuran spektrum absorbsi antosianin dilakukan dengan cara
mengencerkan beberapa mililiter larutan ekstrak antosianin dengan campuran pelarut
metanol, asam asetat, dan aquades (25:4:21). Untuk pengenceran larutan ekstrak antosianin
yang pertama, yaitu dilakukan pengenceran 2 kali sehingga dihasilkan larutan dengan
konsentrasi 50%. Selanjutnya dilakukan pengenceran 4 kali sehingga dihasilkan larutan dengan
konsentrasi 25%. Kemudian masing-masing sampel, yaitu larutan dengan konsentrasi 100%,
konsentrasi 50%, dan kosnsentrasi 25% diukur dengan spektrofotometer UV-Vis pada panjang
gelombang 400-700 nm [7]. Hasil pengukuran spektrum absorbsi dari masing-masing larutan
ditunjukkan pada gambar 6.
17
a
1.2
Abs
1
b
0.5
c
0
400
500
600
700
Wavelength (nm)
Gambar 6. Spektrum absorbsi ekstrak antosianin strawberry dengan konsentrasi
a. 100% (tanpa pengenceran), b. 50% (pengenceran 2 kali), dan c. 25% (pengenceran 4 kali).
Dari hasil pengukuran spektrum absorbsi memperlihatkan bahwa ketiga larutan memiliki
absorbansi yang berbeda-beda. Larutan (a) dengan konsentrasi 100% (tanpa pengenceran)
memilki absorbansi paling besar, sedangkan larutan (c) dengan konsentrasi 25%
(pengenceran 4 kali) memiliki absorbansi paling rendah. Masing-masing larutan memiliki
panjang gelombang maksimum 510 nm. Hasil tersebut menunjukkan bahwa ekstrak antosianin
strawberry menyerap spektrum hijau (500-560 nm).
Arus (µA)
2. Karakteristik Arus dan Tegangan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Sel surya DSSC yang sudah jadi diuji karakteristik arus dan tegangannya (I-V) dengan
multimeter digital. Pengujian dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya lampu halogen
50 Watt pada jarak 30 cm. Hasil pengujian masing-masing sel surya dengan menggunakan
sumber cahaya lampu halogen disajikan dengan grafik hubungan arus terhadap tegangan
seperti pada gambar 7.
20
15
10
5
0
0
200
400
600
800
Tegangan (mV)
Gambar 7. Hubungan Arus terhadap Tegangan
Gambar 7 menunjukkan hubungan antara arus terhadap tegangan (I-V). Dari kurva I-V
yang diperoleh terlihat bahwa ketiga sel surya yang diuji memiliki arus maupun tegangan
keluaran yang berbeda-beda. Untuk sel surya yang direndam dalam ekstrak antosianin dengan
konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) menghasilkan arus dan tegangan keluaran paling besar,
yaitu menghasilkan Isc sebesar 19 µA dan Voc sebesar 576 mV. Kemudian untuk sel surya yang
direndam dalam ekstrak antosianin dengan konsentrasi 50% (pengenceran 2 kali)
menghasilkan arus dan tegangan keluaran yaitu Isc sebesar 14,5 µA dan Voc sebesar 390 mV.
18
Sedangkan untuk sel surya yang direndam dalam ekstrak antosianin dengan konsentrasi 25%
(pengenceran 4 kali) menghasilkan arus dan tegangan keluaran paling rendah, yaitu Isc sebesar
7,2 µA dan Voc sebesar 373 mV.
Karakteristik Hubungan Tegangan terhadap Waktu Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Berdasarkan pengujian sel surya dengan menggunakan sumber cahaya lampu halogen,
didapatkan hubungan tegangan terhadap waktu yang ditunjukkan pada gambar 8.
Tegangan (mV)
3.
800
600
400
200
0
0
50
100
Waktu (menit)
Gambar 8. Hubungan Tegangan terhadap Waktu
Dari grafik hubungan antara tengangan terhadap waktu (Gambar 8), terlihat bahwa
ketiga sel surya memiliki tegangan keluaran yang berbeda-beda. Pengujian terhadap sel surya
yang direndam dalam larutan dengan konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) menghasilkan
tegangan rata-rata paling besar, yaitu sebesar 595,6 mV. Kemudian untuk pengujian terhadap
sel surya yang direndam dalam larutan dengan konsentrasi 50% (pengenceran 2 kali)
menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 423,8 mV. Sedangkan pengujian sel surya yang
direndam dalam larutan dengan konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali) menghasilkan tegangan
rata-rata sebesar 392,6 mV.
IV. KESIMPULAN
Dalam penelitian ini telah dilakukan kajian serta fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC) dengan memanfaatkan ekstrak antosianin strawberry sebagai dye sensitizer. Hasil
karakterisasi arus dan tegangan sel surya menunjukkan bahwa perendaman sel dalam ekstrak
antosianin dengan konsentrasi 100% (larutan yang tidak diencerkan) menghasilkan arus
rangkaian pendek (Isc) paling besar, yaitu 19 µA dan tegangan rangkaian buka (Voc) sebesar 576
mV. Untuk karakterisasi hubungan tegangan terhadap waktu menunjukkan bahwa sel yang
direndam dalam ekstrak antosianin dengan konsentrasi 100% (larutan yang tidak diencerkan)
menghasilkan tegangan rata-rata yang paling besar yaitu sebesar 595,6 mV.
[1].
[2].
DAFTAR PUSTAKA
Akhiruddin Maddu, Mahfuddin Zuhri, dan Irmansyah, 2007. Penggunaan Ekstrak
Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal
Tersensitisasi Dye, Makara, Teknologi, Vol. 11 No. 2
Grätzel, Michael, 2003. Dye-Sensitised Solar Cells, journal of Photochemistry and
Photobiology. Vol.4, 145-153.
19
[3].
[4].
[5].
[6].
[7].
[8].
[9].
Grätzel, Michael, 2005. Photovoltaic performance and long-term stability of dyesensitized meosocopic solar cells. C. R. Chimie 9 (2006) 578–583.
Hardeli,dkk. Pembuatan Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Ubi
Jalar Ungu, Wortel dan Kunyit Sebagai Sumber Zat Warna. UNP: Padang.
Lidya Pancaningtyas dan Syafsir Akhlus. Peranan Elektrolit pada Performa Sel Surya
Pewarna Tersensitisasi (SSPT). ITS : Surabaya.
Maya Sukma Widya Kumara dan Gontjang Prajitno, 2012. Studi Awal Fabrikasi Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Menggunakan Ekstraksi Daun Bayam (Amaranthus
Hybridus L.) sebagai Dye Sensitizer dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya pada DSSC.
Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.
M. Monica Giusti and Ronald E. Wrolstad, 2001.Characterization and Measurement of
Anthocyanin by UV-Visible Spectroscopy. Current Protocols in Food Analytical
Chemistry.
Smestad, G.P., dan Gratzel, M., 1998. Demonstrating electron Transfer and
Nanotechnology : A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline energy Converter. J.Chem.
Educ., 75, 752-756.
Wilman Septina,dkk., 2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan
Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell). Institut Teknologi Bandung : Bandung.
20
BAB IV
KESIMPULAN
Telah dilakukan kajian serta fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan
memanfaatkan ekstrak antosianin strawberry sebagai dye sensitizer. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa ekstraksi antosianin strawberry menggunakan campuran pelarut
metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan 25:4:21 dapat menghasilkan
konsentrasi antosianin yang paling baik yaitu sebesar 11,5 mg/100 gr, dengan menghasilkan
tegangan rata-rata sebesar 516,6 mV. Hasil pengujian karakteristik arus terhadap tegangan
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi antosianin,
maka semakin tinggi pula arus dan tegangan keluaran yang dihasilkan.
21