Sel Surya Berbasis Material Nanokomposit TiO2 - HFI DIY

100
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
Sel Surya Berbasis Material Nanokomposit TiO2
Sahrul Saehana1,a), Darsikin1, Rita Prasetyowati2, Marina I. Hidayat2,
Mikrajuddin Abdullah2, dan Khairurrijal2
1
2
Program Studi Pend. Fisika FKIP Universitas Tadulako, Kampus Bumi Tadulako Tondo Palu
KK Fisika Material Elektronik FMIPA Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganeca 10 Bandung 40132
a)
Email: [email protected]
Abstrak – Penelitian ini bertujuan untuk mengembangan sel surya berstruktur baru, dengan material TiO2 sebagai lapisan
aktif dan logam tembaga (Cu) yang dideposisi pada ruang antar partikel TiO2 sebagai saluran elektron. Adapun struktur sel
surya yang dikembangkan terdiri atas material TiO2, partikel tembaga (Cu) yang berada ruang antar partikel TiO2, polimer
elektrolit serta aluminium sebagai elektroda bantu. Dalam penelitian ini, lapisan nanokomposit TiO2 dibuat dengan metode
printing sedangkan elektrolit yang berbentuk gel dideposisi dengan metode doctor-blade. Kontak antara partikel TiO2 dengan
Cu dapat dilihat melalui karakterisasi struktur morfologi dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Adanya kontak ini
diharapkan dapat mengurangi rekombinasi elektron-hole, yang cukup dominan pada permukaan TiO2, sehingga efisiensi sel
surya dapat ditingkatkan. Hasil pengukuran karakteristik IV sel surya menunjukkan bahwa efisiensi sel surya dengan
penyisipan logam Cu lebih baik dibandingkan tanpa penyisipan logam Cu.
Kata kunci: Sel Surya, Nanokomposit, TiO2, doctor-blade, efisiensi, polimer
I. PENDAHULUAN
Krisis energi yang sedang dialami oleh sebagian besar
negara di dunia termasuk Indonesia, menjadi perhatian
utama pemerintah termasuk para peneliti. Pengembangan
sumber energi terbarukan, seperti energi matahari yang
ketersediaannya cukup melimpah, menjadi salah satu
alternatif untuk mengatasi krisis energi tersebut [1]. Namun
demikian, pemanfaatan sel surya berbasis silikon yang telah
mencapai efisiensi sekitar 20% terkendala dengan biaya
produksi yang tinggi [2,3]. Di sisi lain, pengembangan sel
surya berbasis material dye sensitized solar cell (DSSC)
juga memiliki kelemahan, yaitu masa hidup dye yang relatif
singkat serta harga elektrolit yang cukup mahal [4,5]. Oleh
karena itu, pengembangan sel surya dengan menggunakan
material yang murah dan mudah diperoleh serta proses
fabrikasi yang sederhana dan berbiaya rendah perlu
dilakukan.
Dalam studi terdahulu yang telah dilakukan oleh
kelompok kami [2,3], diketahui bahwa material TiO2 dapat
digunakan sebagai material aktif dalam sel surya. Hal ini
disebabkan karena material TiO2 tersebut dapat
mengabsorbsi panjang gelombang dalam rentang yang
cukup lebar. Namun demikian, adanya proses rekombinasi
elektron-hole pada permukaan TiO2 masih cukup dominan
sehingga efisiensi sel surya yang diperoleh masih rendah.
Oleh karena, dalam penelitian ini struktur baru sel surya
TiO2 dikaji, dimana dilakukan penyisipan logam Cu pada
ruang antar partikel TiO2 sehingga rekombinasi dapat
dikurangi.
Struktur sel surya yang dikembangkan dalam penelitian
dapat dilihat pada Gambar 1. Adanya logam Cu, pada ruang
antar partikel TiO2, diharapkan dapat menjadi saluran
elektron dan mencegah terjadinya rekombinasi pada
permukaan TiO2. Adapun mekanisme kerja dari sel surya
yang dikembangkan, yaitu, apabila foton datang mengenai
permukaan TiO2, maka elektron pada pita valensi tereksitasi
menuju pita konduksi. Selanjutnya, elektron pada pita
konduksi TiO2 mengalir ke kaca indium tin oxide melalui
kontak logam (Cu) yang dibuat. Elektron kemudian
mengalir melalui beban dan terakumulasi pada permukaan
elektroda bantu. Elektron yang berada pada permukaan
elektroda bantu akan diterima oleh elektrolit. Demikian
proses ini berlangsung secara terus menerus hingga
menghasilkan arus listrik yang konstan.
Gambar 1. Struktur sel surya yang dikembangkan.
Dengan demikian, tujuan penelitian ini adalah melakukan
pengembangan sel surya berbasis material TiO2 melalui
penyisipan logam tembaga (Cu) pada ruang antar partikel
TiO2 sehingga efisiensi sel surya dapat meningkat.
II. METODE
Komposit TiO2 dibuat dengan mencampurkan TiO2 bubuk
(Bratachem, Indonesia) dengan bubuk Cu pada gel polyvinil
acetat. Setelah diaduk selama beberapa menit dan
membentuk komposit yang cukup homogen, kemudian
komposit TiO2 tersebut dideposisi di atas substrat kaca
transparan konduktif (ITO) dengan metode doctor blade dan
dibakar pada suhu 450°C selama 45 menit. Selanjutnya, film
Cu/TiO2 tersebut dilapisi dengan polimer elektrolit, yang
dibuat dengan metode sol gel, dan ditutup dengan elektroda
aluminium sehingga membentuk struktur sandwich.
Untuk mengetahui karakteristik morfologi film, yang
dibuat, dilakukan karakterisasi dengan SEM, sedangkan
untuk mengetahui performansi sel surya yang
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
101
dikembangkan dilakukan pengukuran arus-tegangan (IV)
pada kondisi gelap dan terang.
III. HASIL DAN DISKUSI
Spektrum absorbsi film TiO2 yang dihasilkan dalam
penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 2, dimana spektrum
absorbsinya berada dalam rentang yang cukup lebar
sehingga sangat potensial digunakan sebagai elektroda kerja.
Rentang spekrum ini lebih lebar apabila dibandingkan
dengan TiO2 murni [2].
Sel surya berbasis nanokomposit TiO2 yang
dikembangkan, seperti desain pada pada Gambar 1,
menggunakan kontak logam Cu sebagai jalur transfer
elektron. Dimana logam tersebut dibuat menjadi
nanokomposit bersama dengan TiO2 kemudian diprinting di
atas substrat kaca konduktif transparan (ITO).
Selain itu, tampak adanya ruang antar partikel TiO2 (pori)
yang cukup banyak sehingga memunkinkan untuk disisipi
dengan material logam, misalnya Cu.
Gambar 3(b) memperlihatkan adanya kontak antara
partikel TiO2 dengan partikel Cu yang berukuran lebih
besar. Adanya kontak antara kedua partikel ini diharapkan
dapat mengurangi rekombinasi yang cukup dominan terjadi
pada permukaan TiO2 [7-10]. Hal ini dapat dijelaskan
melalui diagram pada Gambar 4.
a
Absorbance (a.u)
0.8
a dan b : Proses rekombinasi
c
: Menyumbangkan elektron
d
: Menyumbangkan hole
0.7
b
0.6
200
300
400
500
600
700
800
900
Panjang Gelombang (nm)
Gambar 2. Spektrum absorbsi material TiO2 yang digunakan.
Adanya kontak antara partikel TiO2 dan logam Cu dapat
diamati melalui Scanning Electron Microscopy (SEM),
seperti ditunjukkan pada Gambar 3(b).
a
Gambar 4. Peristiwa fotoeksitasi pada permukaan TiO2: (a) tanpa
adanya kontak dengan logam Cu, dan (b) terdapat kontak dengan
logam Cu.
TiO2
0.050
Pori
Pin = 37.48 mW/cm2
FF = 0.35
η = 0.03%
a
Current (mA)
0.040
1 µm
b
TiO2
0.030
Pin = 4.39 mW/cm2
FF = 0.24
η = 0.05 %
0.020
0.010
0.000
0
20
40
60
80
100
Voltage (mV)
0.500
Cu
b
0.375
Current (mA)
10 µm
Gambar 3. Hasil karakterisasi SEM: (a) TiO2 tanpa Cu, dan (b)
TiO2 dengan Cu.
Gambar 3(a) menunjukkan penampang lintang film TiO2
tanpa adanya logam Cu. Melalui gambar ini diketahui
bahwa rata ukuran partikel TiO2 berada dalam orde 200 nm.
Menurut B. O’Regan dkk [3] bahwa ukuran ini cukup baik
untuk elektron berdifusi serta efek scatering terjadi [6].
Pin = 37.48 mW/cm2
FF = 0.35
η = 0.39%
0.250
0.125
0.000
0.0
Pin = 4.39 mW/cm2
FF = 0.34
η = 0.37 %
0.2
0.4
0.6
0.8
Voltage (V)
Gambar 5. Karakteristik IV sel surya: (a) TiO2 tanpa Cu, dan (b)
TiO2 dengan Cu.
ISSN 0853-0823
102
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
Gambar 4(a) menjelaskan tentang proses rekombinasi
yang cukup dominan terjadi pada permukaan TiO2. Hal ini
menyebabkan sel surya tanpa penyisipan logam menjadi
rendah. Di sisi lain, Gambar 4(b) menunjukkan peristiwa
eksitasi elektron yang diikuti peristiwa terperangkapnya
elektron pada logam sehingga lebih negatif. Adanya
fenomena ini tentu saja diharapkan dapat mengurangi
rekombinasi elektron dan hole pada permukaan TiO2 [7-10].
Adanya peningkatan performa sel surya TiO2 dengan
penambahan Cu dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5(a) menggambarkan performa sel surya tanpa
adanya tambahan logam Cu. Dimana efisiensi sel surya baik
dalam keadaan gelap maupun terang terlihat masih sangat
kecil yaitu sekitar 0.03% dan 0.05%. Di sisi lain, fill faktor
sel surya juga masih rendah 0.24 dan 0.35. Hal ini
kemungkinan besar disebabkan karena tingginya resistansi
internal sel surya tersebut [5]. Di sisi lain, Gambar 5(b)
menunjukkan performa sel surya dengan adanya tambahan
logam Cu. Performa sel surya tersebut mengalami
peningkatan dibandingkan hasil pada Gambar 5(a). Hal ini
diduga kuat karena penurunan tingkat rekombinasi elektronhole karena adanya kontak antar partikel TiO2 dan logam Cu
[7-10]. Akan tetapi, ukuran partikel Cu yang masih cukup
besar (dalam orde mikron) menyebabkan intensitas foton
tidak maksimal diserap oleh TiO2
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa sel surya,
dengan TiO2 sebagai lapisan aktif dan jalur transfer elektron
“cepat”, telah berhasil dibuat. Namun demikian, adanya
resistansi internal yang masih tinggi diduga sebagai
penyebab rendahnya efisiensi dan fill faktor sel surya yang
dikembangkan. Untuk itu, perlu dilakukan beberapa
optimasi, seperti banyak partikel Cu yang disisipkan, pori
lapisan TiO2, untuk memperbaiki performa sel surya
tersebut.
IV. KESIMPULAN
Sel surya berbasis nanokomposit TiO2 telah berhasil
dikembangkan melalui pembuatan kontak antara partikel
TiO2 dan logam Cu. Hasil karakterisasi IV menunjukkan
bahwa sel surya yang dikembangkan dalam penelitian ini
lebih baik dibandingkan dengan sel surya tanpa adanya
kontak antara TiO2 dan logam (Cu).
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini didanai secara parsial oleh penelitian
Hibah Doktor, Hibah Strategis Nasional dan Assahi Glass
Foundation tahun anggaran 2010.
PUSTAKA
[1]
P. Joshi, Y. Xie, M. Ropp, D. Galipeau, S. Bailey and Q.
Qiao, En. Environ. Sci. 2, 2009, 333–440.
[2] M. Grätzel, J. of Photochem. and Photobio.: Photochem.
Rev. 4, 2003, 145–153.
[3] B. O'Regan and M. Grätzel, Nature 353, 1991, 737-740.
[4] M. Abdullah, I. Nurmawarti, H. Subianto, Khairurrijal and H.
Mahfudz, J. Nano Saintek. 3, 2010.
[5] S. Saehana, Rita, Marina, M. Abdullah and Khairurrijal, The
Thrd. Nanosci. and Nanotech. Symp., 2010, 23-26.
[6] X. Bi-Tao, Z. Bao-Xue, B. Jing, Z. Qing, L. Yan-Biao, C.
Wei-Min and C. Jun. Chinese Physics B, 17, 10,2008, 37143719.
[7] A. L. Linsebigler, G. Lu and J.T. Yates, Jr., Chem. Rev. 95,
1995, 735-758.
[8] V. Subramanian, E.E. Wolf and P.V. Kamat, J. Am. Chem.
Cos. 2004 126, 2004, pp. 4943-4950.
[9] V. Subramanian, E.E. Wolf and P.V. Kamat, J. Phys. Chem.
B 105, 2001, pp. 11439-11446.
[10] Z. HaiLing, Z. JunYing, W. TianMin, W. LiuGang, L. Xiang
and H. BaiBiao, Sci. in China Ser. E: Tech. Sci. 52, 8,
2009, pp. 2175-2179.
TANYA JAWAB
Hadi S
? Bagaimana karakter dan kualitas sel surya yang saudara
buat bila dibandingkan dengan komponen-komponen sel
surya buatan Cina yang harganya sangat murah?
Sahrul S
@ Sel surya yang kami buat masih dalam taraf
pengembangan sehingga dari sisi harga belum bisa
dibandingkan dengan sel surya komersil seperti dari Cina.
Namun demikian, dari sisi harga material sel surya yang
dibuat memiliki harga yang cukup murah.
ISSN 0853-0823