sensitisized solar cell berbasis anthocyanin ekstrak jantung pisang

PENGARUHPH PADA SIFAT LISTRIK PADADYESENSITISIZED SOLAR CELL BERBASIS ANTHOCYANIN
EKSTRAK JANTUNG PISANG
Sutikno, Ian Yulianti, Dany Sigit Saputra
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Negeri
Semarang Email: [email protected]
Abstrak. Penelitian ini dilakukan dengan tujuanuntuk memfabrikasi dyesensitized solar cell (DSSC) berbahan dasar ekstrak jantung pisang dengan
metode spin coating. DSSC dibuat dari bahan fotoaktif ekstrak jantung pisang
dengan metode spincoating dan penguapan termal dan menggunakan substrat
indium tin oxide (ITO). Laju spincoater, lama pelapisan, lama pemanasan dan
suhu pemanasan dijadikan variabel terkendali, pH anthocyanin dijadikan varibel
bebas, sedangkan sifat optik dan sifat listrik piranti sel surya dijadikan variabel
bergantung. Kadar anthocyanin menurun degan kenaikan pH. Tegangan knee
meningkat dengan kenaikan pH lapisan bahan fotoaktif sampel DSSC.
Kenaikan pH menyebabkan pembangkitan arus menjadi menurun.
Kata Kunci: Anthocyanin;Ekstrak jantung pisang;Dye-sensitisized solar cell
PENDAHULUAN
Dye-sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya generasi ketiga yang dipertimbangkan
sebagai sumber energi alternatif masa depan, sebuah sel fotovoltaik dye-sensitized dari TiO2.
Prinsip dasar DSSC yaitu menstransformasi energi cahaya menjadi energi listrik. Ketika sebuah
molekul dye menyerap cahaya, sebuah elektron diganti dengan sebuah kedudukan tereksitasi, dan ini
dapat melompat ke pita konduksi TiO2. Sama dengan proses ini, efek fotosintetik ditentukan oleh
dye pigments (Prima et al., 2014).Sel surya konvensional berbahan silikon memiliki kelemahan
biaya produksi dan konsumsi energinya tinggi.Piranti ini menarik banyak peneliti pada dekade
terakhir sejak dilaporkan pertama kali oleh Gratzel dan coworkers (Gokilamani et al., 2013a) karena
DCCS memiliki beberapa kelebihan diantaranya biaya murah (Isah et al., 2014;
Prima et al., 2014), mudah disiapkan, mudah difabrikasi, struktur piranti sederhana (Tripathi et al.,
2013), skala perbesarannya mudah, ringan, potensial dipakai dalam panel luwes seperti
dibandingkan dengan piranti sambungan p-n konvensional (Gokilamani et al., 2013b), konstruksi
modul transparan, kinerja yang lebih baik pada pita radiasi yang lebih luas, sensitivitas yang
Sutikno, Ian Yulianti, Dany Sigit Saputra
73
lebih rendah terhadap sudut datang dan kondisi kegelapan (Szostak et al., 2015), dan
memiliki efisiensi konversi tinggi (Gokilamani et al., 2014). Sel surya konvensional
berbahan silikon telah mencapai efisiensi setinggi 20% sedangkan efisiensi tertinggi yang
dicapai sel surya organik yang telah dikembangkan oleh beberapa peneliti terdahulu
mencapai 1,49% (Gokilamani et al., 2015).
Kelebihan bahan yang akan dikembangkan (Gokilamani et al., 2014; Isah et al., 2014)
antara lain:tersedia di alam dalam jumlah yang melimpah (Prima et al., 2014; Tripathi et al.,
2013), mudah digunakan, non-toxic (tak beracun), ramah lingkungan dan dapat
terbiodegradasi semuanya dengan mudah dan (fully/easily biodegradable).
Jenis-jenis bahan yang akan dikembangkan (Gokilamani et al., 2013a) meliputi bunga, daun
tanaman, buah, kulit buah dan akar. Bahan fotoaktif diekstrak dari berbagai jenis bunga sepertikol
merah, kacang biru, frambos (Rubus Ideaus), wortel hitam (Daucuscarota L.), rosella (Hibiscus
Sabdariffa L.) (Tekerek et al., 2011), bunga Bougainvillea glabramerah (Isah et al., 2014), teh
hitam, kacang ataukulit promegranate (Gokilamani et al., 2013b), bunga burung kenari dan lobak
merah. Daun tanaman juga dapat diekstrak bahan fotoaktifnya antara lain:basella alba rubra
ataubayam Malabar ataubayam topan (Gokilamani et al., 2014), kol merah, kacang biru
(Gokilamani et al., 2013a) dandaun mapple. Buah-buahan yang telah diekstrak oleh beberapa
peneliti untuk membuat DSSC antara lain: pir berduri, beets (Gokilamani et al., 2013b), biji achoite,
murbai, stroberi danblackberry. Anthocyanin juga dapat diekstrak dari kulit buah grap skin
(Ekici et al., 2014)dan dari dari akar bieten (Tripathi & Chawla, 2015), Beta vulgaris
(Upadhyay et al., 2014), kentang merah, pomea pescaprae,dan Imperata cylindrica (L.)
BeauvdanPaspalum conjugatum Berg (Prima et al., 2014)
Kadar anthocyanin sampel menurun dengan kenaikan pH dari 3 ke 7 (Ekici et al., 2014).
Pigmen hadir pada bagian-bagian berbeda dari tumbuhan yang meliputi flower petals, buah-buahan,
daun-daunan, stems, dan akar (Tripathi et al., 2015). Perlakuan asam menyebabkan meluasnya
serapan spektrum pigmen dan efisiensi sel. Perlakuan asam dapat meningkatkan efisiensi sel pigmen
I. Pescaprae dari 0,45 sampai dengan 0,53%.Bagaimanakah pengaruh tingkat pH ekstrak
anthocyanin jantung pisang pada sifat listrik dan piranti DSSC yang difabrikasi ?
METODE
Bahan penelitian yang digunakan terdiri atas substrat indium titanium oxide (ITO) 1800Å dan
tahanan sheet 7 W/sq, anthocyanin ekstrak jantung pisang, aluminium foil, perak (Ag) foil,
amoniak, DI-water, alkohol, poly ethylene glycol (PEG), asam nitrat, ethanol, dan acetyl acetone.
Peralatan produksi yang digunakan terdiri-dari:spincoater dengan laju maksimum
10.000 rpm, tungku vakum/oksidasi, evaporator, sputtering, gunting, pinset, ultrasonic
cleaning bath, pipet dan filmetrics.
74
Vol. 14 No.1 Juli 2016
Peralatan karakterisasi yang digunakan terdiri atas FTIR, Ocean Optic Vis-Nir
USB4000 spectrophotometer, I-V meter (Four point probe meter) dan UV-vis spectrometer.
Substrat gelas ITO dibersihkan menggunakan ultrasonic cleaning bath di dalam aseton
alkohol isopropil, dan kemudian dikeringkan dengan nitrogen kering. Lapisan konduktif lubang
dari poly ethylene glycol (PEG) dan anthocyanin ekstrak jantung pisang dengan ketebalan 40
nm dilapiskan pada substrat tersebut dengan spincoater. Pada tahap ini, beberapa parameter
dikendalikan untuk mendapatkan ketebalan lapisan konduktif yang optimum. Lapisan kedua ini
juga harus dioptimasi ketebalan, sifat listrik dan struktur mikronya. Terakhir adalah membuat
elektroda aluminium yang ketebalannya 120 nm dengan cara penguapan termal pada vakum
-4
2
1,33 x 10 Pa. Luas elektroda aktif sel adalah 6 mm .Hubungan arus terhadap tegangan diukur
menggunakan I-V meter (Four point probe meter) pada kedua kondisi yaitu kondisi gelap dan
kondisi iluminasi dengan cahaya datang yang panjang gelombangnya 500 nm dan memiliki
2
intensitas 16,7 mW/cm . Sel surya ini diiluminasi dari sisi ITO dengan lampu Xe 50 W.
Dalam penelitian ini, pada pelapisan film tipis PEG dan anthocyanin ekstrak jantung
pisang, arus litrik yang terbangkitkan baik pada kondisi gelap maupun terang dijadikan sebagai
variabel bergantung (dependent variable). Sedangkan laju spincoater dijadikan variabel
terkendali (independent variable). Pelapisan ini dilakukan pada suhu kamar (25°C) yang
merupakan variabel terkendali. Konduktivitas listriknya diukur menggunakan four-point probe
meter. Pada pembentukan lapisan aluminium (metalisasi), suhu dan tekanan termal dikendalikan
-4
masing-masing secara berurutan adalah pada 961,93°C dan 1,33 x 10 Pa.
Laju spincoater dikendalikan 500 rpm dan diputar selama 30 detik. Hubungan antara
pH anthocyanin extract jantung pisang terhadap rentang panjang gelombang serapan,
konduktivitas listrik dan struktur mikronya dianalisis dan dikaji secara teliti. Keberhasilan
tahap ini akan menentukan tahap berikutnya. Analisis yang sama dilakukan untuk lapisan
aktif. Kinerja sel surya ditentukan dengan cara mengukur hubungan arus terhadap tegangan
seperti dijelaskan pada pengukuran. Kemudian hubungan arus dan tegangan dianalisis.
Gambar 1. Struktur DSSC.
Sutikno, Ian Yulianti, Dany Sigit Saputra
75
HASIL DAN PEMBAHASAN
Jantung pisang yang masih segar (baru dipetik dari pohon, Gambar 2) dibuat menjadi
ekstrak anthocyanin dengan melalui beberapa tahap yaitu penyiapan pelarut, pemotongan
jantung pisang, pelarutan dan pengadukan, penghancuran dengan blender, penyaringan,
distilasi, dan penyaringan hasil ekstraksi, pemanasan sambil diaduk dengan kecepatan 500 rpm.
Gambar 2. Jantung pisang segar.
Pelarut dibuat dengan mencampurkan 30 g aquades, 150 g aethanol dan 6 g asam asetat.
Pelarut terlebih dahulu diaduk dengan pengaduk magnetik selama 30 detik supaya homogen.
Kemudian 20 g potongan jantung pisang dan pelarut dimasukkan ke dalam blender untuk
dihancurkan. Anthocyanin jantung pisang yang diekstrak dibuat dalam beberapa fraksi berat
yaitu 0,1, 0,2, 0,3, dan 0,4. Rumus yang digunakan untuk menghitung fraksi berat larutan yaitu:
=
dimana X = fraksi berat, a = massa jantung pisang dan b = massa pelarut. Fraksi
ekstraksi dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Penghitungan fraksi berat ekstraksi anthocyanin jantung pisang.
Fraksi (X)
Jantung pisang (gram)
Pelarut (gram)
A
0,1
21
186
B
C
D
0,2
0,3
0,4
47
80
124
186
186
186
Untuk sampel A, ethanol dipisahkan dari larutan dengan cara proses distilasi selama 2 jam
pada suhu 95°C dan ethanol mulai menetes pada menit ke-10. Volume larutan sebelum distilasi
107 ml dan sesudah distilasi 23 ml. Setelah distilasi diperoleh larutan berwarna ungu tua. Pada
penelitian ini dibuat beberapa sampel dengan variasi pH larutan yaitu pH 3, 4, 5 dan 6 dan
76
Vol. 14 No.1 Juli 2016
sampel sesuai dengan besar pH masing-masing diberi label A, B, C, dan D.
Pelarut yang digunakan untuk proses distilasi memiliki komposisi aquadest (30 g), ethanol
96% (150 g) dan asam asetat (6 g). Sampel dengan fraksi berat 0,1 didistilasi pada suhu 75-90°C
selama 145 menit dengan laju penguapan 0,86 ml/menit, sedangkan sampel dengan fraksi berat 0,2
didistilasi pada suhu yang sama selama 150 menit dengan laju penguapan 0,53 ml/menit.
Gambar 4 Ekstraksi dan distilasi anthocyanin jantung pisang: (kiri) Penyaringan
anthocyanin; dan (kanan) Pengukuran pH larutan anthocyanin.
Untuk mengkarakterisasi sifat film tipis ekstrak jantung pisang, maka ekstrak anthocyanin
jantung pisang dilapiskan pada kaca preparat yang berukuran 1 cm × 1,25 cm. Ekstrak
anthocyanin jantung pisang dilapiskan pada kaca preparat menggunakan spincoater pada laju
500 rpm selama 30 detik. Kemudian, film yang telah menempel dikeringkan menggunakan
oven pada suhu 250°C selama 10 menit.
Empat sampel dengan fraksi berat masing-masing yaitu A(0,1), B(0,2), C(0,3) dan
D(0,4) dikarakterisasi menggunakan ocean optic Vis-Nir USB4000. Karakterisasi ini
bertujuan untuk mengetahui sifat absorbansi ekstrak jantung pisang pada panjang
gelombang tampak hingga inframerah (350-100nm).
Empat sampel dengan fraksi berat masing-masing yaitu A(0,1), B(0,2), C(0,3) dan
D(0,4) dikarakterisasi menggunakan ocean optic Vis-Nir USB4000. Karakterisasi ini
bertujuan untuk mengetahui sifat absorbansi ekstrak jantung pisang pada panjang
gelombang tampak hingga inframerah (350-100nm).
Ukuran potongan substrat gelas berbasis ITO 2 cm x 1,5 cm disesuaikan dengan peralatan
karakterisasi yang akan digunakan. Kemudian potongan substrat tersebut dicuci dengan acetyle
acetone dan alkohol. Setelah diperoleh fraksi berat yang optimum, kemudian dikaji pengaruh pH
Sutikno, Ian Yulianti, Dany Sigit Saputra
77
Larutan.
Substrat dibersihkan (dicuci) dengan ethanol dan aquadest. Substrat direndam dalam ethanol
dengan digoyang-goyang secara perlahan selama 1 jam. Kemudian substrat dicuci dengan aquadest
dan dikeringkan menggunakan spincoater. Ekstrak jantung pisang dilapiskan pada ITO
menggunakan spincoater pada laju putaran 500 rpm selama 30 detik. Film tipis ekstrak jantung
pisang yang masih basah dikerinngkan menggunakan oven pada suhu 150°C selama 1 menit.
Empat buah sampel DSSC (sampel A, B, C, D) dengan pH larutan ekstrak anthocyanin jantung
pisang masing-masing 3, 4, 5 dan 6 dimetalisasi menggunakan evaporator untuk membentuk
aluminium pad. Evaporator menggunakan pemanas kawat wolfram seperti ditunjukkan pada
Gambar 5. DSSC yang telah difabrikasi sedang dikarakterisasi sifat listriknya menggunakan
I-V meter di Laboratorium Sentral Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan bahan fotoaktif larutan anthocyanin ekstrak
jantung pisang dengan variasi pH 3, 4, 5 dan 6 diuji sifat listriknya. Bahan organik yang digunakan
dapat menunjukkan kinerja sebagai bahan semikonduktor yang baik. Hampir pada semua pH
tersebut mucul Knee Voltage (tegangan lutut). Pada pH 3, tegangan knee tidak muncul
(pada grafik Gambar 5 dilambangkan dengan garis warna biru), pada pH 4 muncul tegangan
knee sekitar 1V dan menunjukkan sifat semikonduktor. Untuk pH 5 dan 6 berturut-turut
muncul tegangan knee pada 5,5V dan 4,5V. Ada kecenderungan semakin pH dinaikkan,
tegangan knee semakin meningkat.
Gambar 5 Kurva I-V Sampel DSSC pada kondisi gelap hasil pelapisan pertama
(t1) bahan fotoaktif untuk sampel dengan pH berbeda.
78
Vol. 14 No.1 Juli 2016
Pada pH rendah (pH 4) arus maksimum yang dibangkitkan relatif lebih tinggi dibandingkan
pada pH tinggi (5 dan 6). Kenaikan tegangan pada mode bias maju dari 0 sampai dengan 1 volt telah
membangkitkan arus dengan kenaikan yang begitu tajam pada sampel DSSC dengan pH
3. Kadar anthocyanin sampel menurun dengan kenaikan pH dari 3 ke 7 (Ekici et al., 2014).
Lambatnya arus yang dibangkitkan pada pH5 dan 6 dibandingkan pembangkitkan arus pada
sampel DSSC dengan pH 3 disebabkan oleh menurunnya kadar anthocyanin pada pH tinggi.
Gambar 6 Kurva I-V sampel DSSC pada kondisi gelap hasil pelapisan kedua (t2)
bahan fotoaktif pada pH berbeda.
Gambar6 Kurva I-V sampel DSSC dengan lapisan bahan fotoaktif yang lebih tebal
dibanding sampel yang diuji seperti pada Gambar 5. Pada Gambar 6 nampak bahwa
tegangan knee pada sampel dengan pH 4 sudah tidak muncul lagi. Sampel dengan pH 5 dan
6 menunjukkan konsistensi pada tegangan knee 6,5 dan 4,5. Perlakuan asam menyebabkan
meluasnya serapan spektrum pigmen dan efisiensi sel.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Ada beberapa hal yang dapat disimpulkan pada kegiatan penelitian ini, antara lain: (1)
Kadar anthocyanin menurun dengan kenaikan pH; (2) Tegangan knee meningkat dengan
kenaikan pH lapisan bahan fotoaktif sampel DSSC, dan (3) Kenaikan pH menyebabkan
pembangkitan arus menjadi menurun.Perlakuan asam menyebabkan meluasnya serapan
spektrum pigmen dan efisiensi sel.
Sutikno, Ian Yulianti, Dany Sigit Saputra
79
DAFTAR PUSTAKA
Tekerek, S., Kudret, A. and Alver, Ü. 2011. Dye-Sensitized solar cells fabricated with black
rasperry, black carrot and rosella juice. Indian J Phys 1, 1469-1476
Sutikno, Ngurah Made Dharmaputera, and Sri Rahayu. 2014. Fabrication and characterization
of banana flower extract anthocyanin-based organic solar cell. Journal of Advanced
Agricultural Technologies, 1(2), 89-93
N. Gokilamani, N. Muthukumarasamy, M. Thambidurai, A. Ranjitha, and Dhayalan
Velauthapillai. 2013a. Utilization of natural anthocyanin pigments as
photosentitisizer for dye-sensitized solar cells. J Sol-Gel Sci Technol 66, 212-219
N. Gokilamani, N. Muthukumarasamy, M. Thambidurai, A. Ranjitha, Dhayalan
Velauthapillai, T.S. Senthil, R. Balaundaraprabhu. 2013b. Dye-sensitisized solar cells
with natural extracted from rose petals. J Mater Sci: Mater Electron 24: 3394-3402
N. Gokilamani, N. Muthukumarasamy, M. Thambirudai, A. Rajintha, and Dhayalan
Velauthapillai. 2014. Solanum nigrum and Eclipta alba leaf pigments for dye
sensitized solar cell applications. J Sol-Gel Sci Technol 69: 17-20
N. Gokilamani, N. Muthukumarasamy, M. Thambidurai, A. Rajintha, Dhayalan
Velauthapillai. 2015. Basella alba rubra spinach pigment-sensitisized TiO2 thin filmbased solar cells. Appl Nanosci 5: 297-303
Rodrigo Szostak, Eder Carlos Ferreira de Souza, Sandra Regina Masetto Antunes,
Christiane Philippini Ferreira Borges, André Vitor Chaves de Andrade, Paulo Rogério
Rodrigues, and Augusto Celso Antunes. 2015. Anthocyanin from Vitis labrusca grape
used as sensitisizer in DSSC solar cells. J Mater Sci: Mater Electron, Kasim Uthman Isah, Umar Ahmadu, Adamu Idris, Mohammed Isah Kimpa, Uno Esang
Uno, Muhammed Muhammed Ndamitso, Noblu Alu. 2014. Betalain pigments as
natural photosensitizers for dye-sensitized solar cells: the effect of dye PH on the
photoelectric parameters. Mater Renew Sustain Energy 3, 39
Eka Cahya Prima, Brian Yuliarto, Veinardi Suendo, Suyatman. 2014. Improving
photochemical properties of Ipomea pescaprae, Imperata cylindrica (L.) Beauv, and
Paspalum conjugatun Berg as photosentizers for dye sensitized solar cells. J Mater
Sci. Mater Electron 25: 4603-4611
Lutfiye Ekici, Zeynep Simsek, Ismet Ozturk, Osman Sagdie, Hasan Yetim. 2014. Effects of
Temperature, Time, and PH on the Stability of Anthocyanin Extracts: Prediction of Total
Abthocyanin Content Using Nonlinear Models. Food Anal Methods 7: 1328-1336
Mridula Tripathi & Priyanka Chawla. 2015. CeO2-TiO2 photoanode for solid state neutral dyesensitized solar cell. Ionics 21: 541-546
Mridula Tripathi, Ruby Upadhyay, Ashutosh Pandey and P.K. Dubey. 2013. Natural dye-based
photoelectrode for improvement of solar cell-performance. Ionics 19: 1179-1183
80
Vol. 14 No.1 Juli 2016