DSSC - Repository - ITS - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

advertisement
Skripsi
Studi Komputasi Sifat Elektronik Senyawa Turunan Carbazole
sebagai Sensitiser pada Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
ANNISA TRIA APRILIANI
NRP.1413 100 004
Dosen Pembimbing
Dr. Yuly Kusumawati, M. Si.
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
2017
Script
Computational Study of Electronic Properties of Carbazole
Derivatives Compounds as Sensitizer on Dye-Sensitized Solar
Cells (DSSC)
ANNISA TRIA APRILIANI
NRP.1413 100 004
Advisor Lecturer
Dr. Yuly Kusumawati, M. Si.
CHEMISTRY DEPARTMENT
FACULTY OF MATHEMATICS AND NATURAL SCIENCES
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2017
ii
Studi Komputasi Sifat Elektronik Senyawa Turunan Carbazole
sebagai Sensitiser pada Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
SKRIPSI
Disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan mata kuliah Tugas
Akhir Program Studi S-1
Di Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya
ANNISA TRIA APRILIANI
NRP. 1413 100 004
Dosen Pembimbing
Dr. Yuly Kusumawati, M. Si.
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2017
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Studi Komputasi Sifat Elektronik Senyawa Turunan
Carbazole sebagai Sensitiser pada Dye-Sensitized Solar Cells
(DSSC)
SKRIPSI
Annisa Tria Apriliani
NRP. 1413 100 004
Surabaya, 27 Januari 2017
Menyetujui,
Dosen Pembimbing
Dr. Yuly Kusumawati, M. Si
NIP. 19810128 200812 2 003
Mengetahui,
Ketua Jurusan Kimia
Prof. Dr. Didik Prasetyoko, S.Si., M.Sc.
NIP. 19710616 199703 1 002
iv
Karya ini ku persembahkan untuk
Ibu, Bapak, Mas Kukuh dan Mas Wahyu yang aku sayangi
Teman dan shabat terdekatku
Dan seluruh keluarga ANORTHITE
v
Studi Komputasi Sifat Elektronik Senyawa Turunan
Carbazole sebagai Sensitiser pada Dye-Sensitized Solar Cells
(DSSC)
Nama
NRP
Jurusan
Dosen Pembimbing
: Annisa Tria Apriliani
: 1413100004
: Kimia
: Dr. Yuly Kusumawati, M. Si
ABSTRAK
Studi komputasi pengaruh penambahan gugus pendorong
elektron –OCH3, -NHCH3, -OC5H11 dan –NH(C5H11) terhadap
sifat elektronik senyawa golongan carbazole telah diteliti
menggunakan metode DFT dan TDDFT pada tingkat teori CAMB3LYP dan basis set 6-31G*. Struktur teroptimasi dari molekul
didapatkan dari metode DFT dan sifat elektronik diteliti
menggunakan TDDFT titik tunggal. Sifat elektronik yang
diperhitungkan adalah tingkat energi HOMO-LUMO, profil
rapatan orbital HOMO-LUMO, spektrum UV-Vis, kuantitas
transfer muatan dan jarak pemisahan muatan molekul pada
keadaan dasar dan keadaan tereksitasi. Hasil menunjukkan
bahwa penambahan gugus pendorong elektron yang memiliki
rantai panjang, -NH(C5H11) atau CT_NC5 menunjukkan hasil
yang paling baik. Diperoleh bahwa kontribusi transisi HOMO ke
LUMO pada CT_NC5 adalah 77%, kuantitas transfer muatan (qCT) 1,004 dan ELUMO= -1,810 eV.
Kata Kunci: Sifat elektronik, DFT, TDDFT, carbazole, Dyesensitized solar cells (DSSC).
vi
Computational Study of Electronic Properties of Carbazole
Derivatives Compounds as Sensitizer on Dye-Sensitized Solar
Cells (DSSC)
Name
NRP
Department
Advisor
: Annisa Tria Apriliani
: 1413100004
: Chemistry
: Dr. Yuly Kusumawati, M. Si.
ABSTRACT
The effect of the addition electron donating moiety –
OCH3, -NHCH3, -OC5H11 and –NH(C5H11) to the electronic
properties of carbazole dye, CT2 have been studied using DFT
and TDDFT methode at CAM-B3LYP level theory and 6-31G*
basis set. The optimized structure were obtained from DFT
calculation, whilst electronic properties were obtained using
single point TDDFT calculation. The calculated electronic
properties were HOMO-LUMO energy level, UV-Vis absorption
spectrum, charge transfer quantity and chare transfer distance at
ground state and excitation state. The result reveal that addition
of long alkyl electron donating moiety –NH(C5H11) or CT_NC5,
give the best result. Contribution HOMO-to-LUMO transition in
CT_NC5 molecule of 77%, the quantify charge transfer (qCT) of
1,004 and LUMO energy (ELUMO = of -1,810 eV). Overall,
CT_NC5 gave the best result.
Keywords: Electronic properties, DFT, TDDFT, carbazolebased-dyes, Dye-sensitized solar cells (DSSC)
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahirobbil’alamin. Puji syukur penulis panjatkan
kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karuniaNya sehingga naskah Tugas Akhir berjudul “Studi Komputasi
Sifat Elektronik Senyawa Turunan Carbazole sebagai
Sensitiser pada Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)”
dapat diselesaikan dengan baik. Tulisan ini tidak akan terwujud
dengan baik tanpa bantuan dan dukungan dari semua pihak.
Untuk itu penulis sangat berterima kasih kepada :
1.
Ibu Dr. Yuly Kusumawati, M. Si. selaku dosen
pembimbing yang telah memberikan pengarahan dan
bimbingan selama proses penyusunan naskah Tugas Akhir
ini.
2.
Prof. Dr. Didik Prasetyoko, M.Sc., selaku Ketua Jurusan
Kimia atas fasilitas yang telah diberikan hingga naskah
Kolokium ini dapat terselesaikan.
3.
Ibu Dra. Afifah Rosyidah, selaku dosen wali saya yang
telah memberikan semangat dan masukan selama ini.
4.
Kedua orang tua dan kedua kakak saya yang selalu
memberikan semangat, dukungan dan doa untuk saya.
5.
Sahabat-sahabatku yang selalu memberikan dukungan
moril untuk saya.
Semua pihak yang telah membantu yang tidak mungkin
saya sebutkan satu persatu.
Semoga tugas akhir ini memberikan manfaat bagi penulis dan
pembaca.
Surabaya, 6 Januari 2017
Penulis
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .............................................................. ii
HALAMAN PENGESAHAN................................................ iv
ABSTRAK ............................................................................. vi
KATA PENGANTAR ......................................................... viii
DAFTAR ISI.......................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ............................................................ xii
DAFTAR TABEL................................................................ xiv
DAFTAR SINGKATAN PENTING .................................... xv
BAB I PENDAHULUAN ....................................................... 1
1.1.
Latar Belakang ........................................................ 1
1.2.
Pemasalahan............................................................ 4
1.3.
Batasan Masalah ..................................................... 5
1.4.
Tujuan Penelitian .................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................ 7
2.1. Energi Surya................................................................. 7
2.2. Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) ............................... 8
2.2.1. TCO (Transparent Conductive Oxide) ...................... 9
2.2.2. Zat Warna Pemeka .................................................. 10
2.2.3. Semikonduktor ........................................................ 12
2.2.4. Elektrolit ................................................................. 17
2.2.5. Elektroda Pembanding ............................................ 19
2.3. Prinsip Kerja DSSC ................................................... 20
ix
2.4. Kimia Kuantum .......................................................... 22
2.5. Density Functional Theory (DFT) ............................. 24
2.6. Basis Set ..................................................................... 26
2.7. TDDFT (Time Dependent Density Functional Theory)27
BAB III METODE PENELITIAN ....................................... 31
3.1 Perlatan yang Digunakan ............................................ 31
3.1.1. Perangkat keras ....................................................... 31
3.1.2. Perangkat lunak ....................................................... 31
3.2.
Metode Perhitungan .............................................. 31
3.2.1. Pembuatan Model Awal .......................................... 32
3.2.2. Optimasi Geometri .................................................. 33
3.2.3. Perhitungan TDDFT ............................................... 33
3.2.4. Perhitungan Energi Transfer Muatan ...................... 34
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................. 35
4.1. Optimasi Geometri ..................................................... 35
4.2. Penentuan Metode Teori Perhitungan ........................ 35
4.3. Penyelidikan Sifat Elektronik dalam Zat Warna CB1 dan
CT2 ................................................................................... 37
4.4. Pengaruh Penambahan Gugus Pendorong Elektron
terhadap Sifat Elektronik Zat Warna CT2 ........................ 44
4.5. Pengaruh Perpanjangan Rantai Karbon pada Pendorong
Elektron terhadap Sifat Elektronik Zat Warna .................. 51
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN................................ 61
5.1. Kesimpulan ................................................................ 61
x
5.2. Saran .......................................................................... 61
DAFTAR PUSTAKA ........................................................... 63
LAMPIRAN.......................................................................... 79
Biodata Penulis......................................................................83
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2 1 Sistem D-π-A dalam struktur zat warna organik.
Gugus donor (biru), π-konjugasi (merah) dan gugus penerima
(hijau) .................................................................................... 11
Gambar 2 2 Skema diagram energi insulator, semikonduktor dan
konduktor .............................................................................. 13
Gambar 2 3 Diagram energi beberapa semikonduktor ......... 15
Gambar 2 4 Skema kerja DSSC ............................................ 21
Gambar 3 1 Skema penelitian ............................................... 32
Gambar 4 1 Spektra UV-Vis senyawa CB1 dan CT2 dengan
basis set B3LYP dan CAM-B3LYP...................................... 36
Gambar 4 2 Struktur teroptimasi CB1 (atas) CT2 (kiri) ....... 38
Gambar 4 3 Spektra absorpsi UV-Vis CB1 dan CT2 ........... 38
Gambar 4 4 HOMO-2 (atas); HOMO (baris 2); gambaran DCT
(baris 3) dan LUMO (bawah)................................................ 41
Gambar 4 5 Diagram energi HOMO-LUMO CB1 dan CT2 42
Gambar 4 6 Struktur teroptimasi CT_Metoksi (atas) dan
CT_NC5 (bawah) .................................................................. 45
Gambar 4 7 Spektra absorpsi UV-Vis zat warna CT_Metoksi dan
CT_NC1 ................................................................................ 45
Gambar 4 8 (Atas) HOMO, (tengah) penggambaran DCT
(bawah) LUMO dari senyawa CT_Metoksi (kiri) dan CT_NC1
(kanan) .................................................................................. 48
Gambar 4 9 Diagram energi CT_Metoksi dan CT_NC1 ...... 49
Gambar 4 10 Struktur teroptimasi CT_Pentoksi (atas) dan
CT_NC5 (bawah) .................................................................. 52
Gambar 4 11 Spektra absorpsi UV-Vis zat warna CT_Pentoksi
dan CT_NC5 ......................................................................... 53
Gambar 4 12 Spectra perbandingan CT_Metoksi-CT_Pentoksi
(atas) dan CT_NC1-CT_NC5 (bawah) ................................. 55
xii
Gambar 4 13 (Atas) HOMO, (tengah) penggambaran DCT
(bawah) LUMO dari senyawa CT_Pentoksi (kiri) dan CT_NC5
(kanan) .................................................................................. 57
Gambar 4 14 Diagram energi CT_Pentoksi dan CT_NC5.... 58
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 4 1 Perbandingan nilai λ spektra UV-Vis berdasar
eksperimen dan perhitungan komputasi dengan fungsi B3LYP
dan CAM-B3LYP ................................................................. 36
Tabel 4 2 Spektra TD-DFT terhitung dari CB1 dan CT2 dengan
kekuatan osilator, f>0,1......................................................... 39
Tabel 4 3 Nilai DCT dan qCT zat warna CB1 dan CT2 .......... 40
Tabel 4 4 Spektra TD-DFT terhitung untuk CT_Metoksi dan
CT_NC1 dengan kekuatan osilator, f>0,1 ............................ 46
Tabel 4 5 Nilai DCT dan qCT zat warna CT_Metoksi dan CT_NC1
.............................................................................................. 47
Tabel 4 6 Spektra TD-DFT terhitung untuk CT_Pentoksi dan
CT_NC5 dengan kekuatan osilator, f>0,1 ............................ 54
Tabel 4 7 Nilai DCT dan qCT senyawa CT_Pentoksi dan CT_NC5
.............................................................................................. 56
xiv
DAFTAR SINGKATAN PENTING
ALDA
Adiabatic Local Density Approximation
B3LYP
Fungsi Hybrid 3 Parameter
CAM-B3LYP
Fungsi Hybrid 3 Parameter yang melibatkan
Gaya Coulomb dalam fungsi korelasi
CB
Conduction band (pita konduksi)
DCT
Charge Transfer Distance
DFT
Density Functional Theory
DSSC
Dye-Sensitized Solar Cell
Ev
Electron volt
FTO
Flouride dopped Tin Oxide
HOMO
Highest Occupied Molecular Orbital
ITO
Indium Tin Oxide
KEN
Kebijakan Energi Nasional
LUMO
Lowest Unoccupied Molecular Orbital
PV
Photovoltaic
STO-3G
Slater Type Orbital 3G (3fungsi Gaussian)
TCO
Transparent Conductive Oxide
xv
TDDFT
Time Dependent – Density Functional Theory
QCT
Quantify of Charge Transfer
xvi
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi adalah besaran yang kekal, yang artinya energi
tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan tetapi enrgi dapat
diubah dari bentuk satu ke bentuk yang lain. Salah satunya
adalah energi panas menjadi energi listrik. Selain itu, energi
merupakan salah satu kebutuhan mendasar dalam kehidupan
manusia. Kebutuhan energi primer dunia diperkirakan akan
meningkat cukup tinggi seiring dengan pertumbuhan populasi
dan perkembangan ekonomi dunia (Internationak Energy
Agency, 2013). Konsumsi energi terbesar terjadi pada sektor
industri dengan kebutuhan pada tahun 2013 sebesar 38% dari
jumlah kebutuhan energi total dan diproyeksikan akan terus
meningkat hingga tahun 2050 dengan laju pertumbuhan 4,4%
per tahun berdasarkan skenario Kebijakan Energi Nasional
(KEN) (DEN, 2014).
Beberapa sumber energi yang utama digunakan sekarang
adalah bahan bakar fosil, minyak bumi dan gas alam. Ketiga
sumber tersebut termasuk dalam sumber energi tak dapat
diperbaharui. Keadaan pola energi yang terus meningkat
menyebabkan sumber energi hanya cukup untuk beberapa
puluh tahun kedepan (Shafiee & Topal, 2009). Kelemahan
lain yang dimiliki oleh bahan bakar fosil adalah dampak
negatifnya terhadap lingkungan. Hasil pembakaran mereka
melepaskan gas CO2 ke atmosfer sehingga menyebabkan efek
rumah kaca dan menimbulkan perubahan iklim serta global
warming (Steinberg, 1999).
1
Salah satu sumber energi terbaharui yang berpotensi
untuk menjadi solusi permasalahan diatas adalah energi surya
karena energi surya memiliki tiga kriteria menjadi sumber
energi yaitu ketahanan, bersih dan rendah resiko. Tiga kriteria
tersebut penting untuk mempertahankan sistem energi untuk
waktu yang lama (Jacobson & Delucchi, 2011). Teknologi
surya mempunyai peran penting dan telah menjadi pesaing
bahan bakar fosil yang menjanjikan sebagai sumber energi.
Tipe teknologi pembangkit listrik pada energi surya
adalah photovoltaic (PV). Tipe ini diaplikasikan dalam suatu
semikonduktor yang disebut dengan sel surya. Peningkatan
dalam bidang sel surya bertujuan untuk meningkatkan
efisiensi dan meminimalisir biaya produksi. Salah satu
teknologi yang muncul dari sel surya adalah penggunaan zat
warna untuk menangkap cahaya matahari yang disebut
dengan Dye-sensitized solar cells (DSSC). Salah satu
komponen penting dalam DSSC adalah zat warna sensitiser,
yang memiliki peran dalam menyerap sinar matahari. Sejauh
ini, zat warna pemeka berbasis Ruthenium tercatat sebagai zat
warna pada DSSC yang memiliki efisiensi lebih dari 11%
(Grätzel, 2004; Nazeeruddin, dkk., 2001). Akan tetapi, zat
warna berbasis Ruthenium sangat mahal karena
ketersediaanya di alam yang terbatas. Oleh karena itu zat
warna bebas logam seperti zat warna organik dan zat warna
alami menjadi alternatif untuk aplikasi pada DSSC
(Goncalves, dkk., 2008).
Berbagai desain dan konfigurasi molekul zat warna
dikembangkan untuk mendapatkan koefisien konversi energi
yang tinggi pada DSSC. Dari berbagai macam desain tersebut,
konfigurasi donor-π-acceptor (D-π-A) dari molekul zat warna
menunjukkan efisiensi konversi yang menjanjikan. Sejauh ini,
2
gugus pendorong elektron seperti triphenylamine, carbazole,
indoline dan lain-lain telah digunakan dalam konfigurasi D-πA untuk mendesain sensitizer yang efisien (Kanaparthi, dkk.,
2012; Mishra, dkk., 2009).
Senyawa carbazole dan turunannya memiliki karakteristik
sifat emisi dan absorsi yang kuat, kemampuan holetransporting yang baik, dan memiliki band gap yang luas
sehingga banyak digunakan dalam material optik (Tang, dkk.,
2010; Li, dkk., 2011). Turunan carbazole juga telah digunakan
sebagai donor elektron dalam beberapa zat warna sensitiser
untuk DSSC dengan efisiensi konversi energi yang optimal
yaitu 9,20% (Liu, dkk., 2013). Srinivas dkk. juga telah
melakukan penelitian tentang penggunaan senyawa turunan
carbazole untuk zat warna sensitizer pada DSSC yaitu
senyawa CB1 dan CT2. CB1 adalah penamaan untuk senyawa
dimana gugus pendorong berupa carbazole dengan sistem
jembatan π terdapat gugus benzen, sementara CT2 adalah
senyawa dengan gugus pendorong carbazole dan sistem
jembatan π terdapat gugus thiopen. Senyawa CB1 memiliki
efisiensi 0,695% dan senyawa CT2 memiliki efisiensi
0,819%. Berdasarkan eksperimen yang mereka lakukan belum
menunjukkan hasil yang maksimal dikarenakan terjadi
kerusakan konjugasi (break conjugation) (Srinivas, dkk.,
2011).
Dalam rangka menyerap sinar matahari sebanyak
mungkin, diperlukan spektrum absorpsi yang lebar. Biasanya
perpanjangan sistem konjugasi π merupakan strategi yang
umum dilakukan untuk mengatasi permasalahan ini. Akan
tetapi sistem konjugasi π yang besar mendorong sifat
photovoltaic yang lemah dikarenakan agregasi zat warna, dan
juga masalah rekombinasi elektron. Pada DSSC dengan
3
elektrolit berbasis kobalt, untuk mengurangi agregasi zat
warna dan rekombinasi elektron, rantai alkoksi atau alkil
ditambahkan ke dalam sistem aromatik. Berbagai penelitian
telah dilakukan dengan penerapan alkoksi yang besar dan
cincin aromatik kedalam sistem donor dan peningkatan
efisiensi telah diamati (Shi, dkk., 2012; Su, dkk., 2011; Iqbal,
dkk., 2013).
Selain itu juga, gugus pendorong juga berpengaruh
terhadap spektra absorpsi suatu senyawa. Gugus pendonor
tidak hanya dapat mempengaruhi spektra absorpsi tetapi juga
mengatur tingkat energi dari zat pemeka. Dan perubahan kecil
pada geometri struktur pendonor dapat menghasilkan sifat
fotofisika, elektrokimia dan sifat lain yang menarik (Wan,
dkk., 2012).
Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan modifikasi
desain dari senyawa berbasis carbazole. Modifikasi dilakukan
dengan menambahkan gugus alkil pada daerah π-linker dan
gugus pendonor elektron seperti gugus alkoksi dan amina
pada pendorong carbazole. Pengaruh modifikasi desain
senyawa terhadap sifat elektroniknya dilihat berdasarkan hasil
perhitungan energi HOMO-LUMO dan spektra UV-Vis yang
dilakukan dengan metode DFT (Desnsity Functional Theory)
dan TD-DFT (Time Dependent- Desnsity Functional Theory).
1.2. Pemasalahan
Senyawa CB1 dan CT2 menurut literatur (Srinivas, dkk.,
2011) sebagai zat warna sensitiser pada DSSC masih belum
menunjukkan hasil yang optimal dilihat dari efisiensi zat
warna dalam sel surya. Modifikasi struktur senyawa
diharapkan dapat menjadikan sifat elektroniknya menjadi
lebih baik.
4
1.3. Batasan Masalah
Modifikasi dilakukan pada senyawa CB1 dan CT2 yang
berdasarkan literatur (Srinivas, dkk., 2011). Modifikasi
dilakukan dengan menambahkan gugus alkil pada πlinker dan penambahan gugus alkoksi serta amina pada
pendorong carbazole. Perhitungan dilakukan dengan
metode DFT (Desnsity Functional Theory) dan TD-DFT
(Time Dependent- Desnsity Functional Theory). Sifat
elektronik yang diperhitungkan adalah tingkat energi
HOMO-LUMO, spektrum UV-Vis, profil rapatan orbital
HOMO-LUMO, perhitungan kuantitas transfer muatan
dan perhitungan jarak pemisahan muatan molekul pada
keadaan dasar dan keadaan tereksitasi.
1.4. Tujuan Penelitian
Pada penelitian ini bertujuan untuk melakukan
modifikasi struktur molekul CT2 serta mengetahui pengaruh
modifikasi tersebut terhadap sifat elektronik senyawa.
5
“Halaman Ini Sengaja Dikosongkan”
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi Surya
Energi surya dapat digunakan secara langsung tanpa
perlu diubah ke bentuk lainnya salah satunya pada proses
pengeringan tradisional. Hal ini merupakan penggunaan
energi yang sederhana dan mudah. Dengan meningkatnya
kebutuhan energi dalam berbagai sektor, energi surya menjadi
lebih bermanfaat dengan mengubahnya menjadi listrik.
Teknologi surya memiliki peran penting dalam menjadi
pesaing yang menjanjikan untuk bahan bakar fosil sebagai
sumber energi. Perintis teknologi yang mengubah energi surya
menjadi lebih berguna pertama kali muncul pada tahun 1860.
Pada saat itu mereka mengembangkan teknologi untuk
menangkap panas matahari. Panas ini kemudian digunakan
untuk menghasilkan uap air (panas) untuk menjalankan mesin
dan pompa irigasi. Jenis lain dari teknologi penghasiol listrik
dari energi surya adalah photovoltaic (PV). Pengaruh
photovoltaic ditemukan oleh Alexandte Edmond Becquerel
pada tahun 1839. Efek photovoltaic ini diproduksi dalam
semikonduktor yang dapat menyerap cahaya pada daerah
spektrum radiasi cahaya matahari. Penyerapan cahaya ini
menghasilkan eksitasi muatan, yang kemudian terpisah,
mendorong aliran elektron, menghasilkan beda potensial dan
akhirnya menghasilkan arus listrik. Sejak fabrikasi sel surya
silika pertama pada tahun 1954 di laboratorium Bell, United
States, hingga kini banyak teknologi photovoltaic yang telah
dikembangkan. Sel surya berbasis kristal silika merupakan
teknologi yang memimpin di pasar sel surya. Teknologi baru
7
untuk mencari material alternatif yang lebih rendah energi
sehingga dapat menggantikan sel surya berbasis silika juga
dikembangkan (Devabhaktuni, dkk., 2013; Timilsina, dkk.,
2012).
2.2. Dye-sensitized Solar Cell (DSSC)
Dye Sentitized Solar Cell (DSSC) “klasik” pertama kali
ditemukan oleh Michael Gratzel dan Brian O’Regan pada
tahun 1991 di École Polytechnique Fédérale de Lausanne,
Swiss (O'Regan & Grätzel, 1991). DSSC merupakan
terobosan pertama dalam teknologi sel surya sejak sel surya
silikon. Perbedaan antara DSSC dan sel surya konvesional
adalah DSSC merupakan sel surya fotoelektrokimia
menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan
(Smestad & Grätzel, 1998).
DSSC merupakan piranti photovoltaic yang mengubah
energi surya menjadi listrik. Agar proses proses konversi itu
terjadi, DSSC membutuhkan zat warna yang berperan sebagai
sensitizer untuk menyerap cahaya matahari, material
semikonduktor yang menampung elektron hasil eksitasi zat
warna dan mentransfernya ke penghubung bagian depan.
Kemudian muatan harus mencapai elektroda pembanding dan
zat warna yang teroksidasi diregenerasi oleh pasangan redoks
yang terlarut dalam larutan elektrolit. DSSC terdiri dari lima
komponen, yaitu : (1) Transparent conductive oxide (TCO),
(2) semikonduktor, (3) dye sentitizer, (4) elektrolit dan (5)
elektroda pembanding.
8
2.2.1. TCO (Transparent Conductive Oxide)
TCO yang terlapis kaca berfungsi sebagai substrat untuk
meletakkan fotoanoda dan elektroda pembanding. Untuk
pengaplikasiannya, TCO harus transparan (transmitan > 80%)
dan konduktif (resistan <10-3 Ω cm). Dua jenis TCO yang
paling sering digunakan dalam DSSC adalah ITO (indium tin
oxide) yang tersusun dari 90 wt% In2O3; 10 wt% SnO2 dan
FTO (flourin doped tin oxide) (Magne, 2012). Sima dkk telah
mempelajari pengaruh jenis TCO yang digunakan dalam
DSSC dan hasilnya menunjukkan bahwa sel yang
menggunakan FTO sebagai substrat memiliki efisensi 9,6%
dimana jauh lebih tinggi daripada ITO yang hanya mencapai
2,24%. Kinerja yang luar biasa dari FTO ini dikarenakan
resistivitas FTO yang lebih kecil daripada ITO (8,5 Ω/sq vs 18
Ω/sq). Selain itu, resistivitas FTO lebih stabil terhadap termal.
Resistivitasnya tidak berubah setelah perlakuan pemanasan
pada 450°C, sementara resistivitas ITO meningkat hingga 52
Ω/sq dengan perlakuan yang sama (Sima, dkk., 2010).
Sayangnya, FTO merupakan material yang rapuh.
Kerapuhan material tersebut membatasi penggunaannya
(Jena, dkk., 2012). DSSC yang fleksibel penting dalam
aplikasinya untuk mebuat sel mudah ditanamkan dalam
bangunan ataupun peralatan elektronik seperti komputer atau
telepon genggam. Selain itu, DSSC yang fleksibel juga
penting dalam permasalahan fabrikasi, untuk mewujudkan
produksi skala besar (Weerasinghe, dkk., 2013). Material lain
seperti logam, karbon, plastik atau polimer yang lain telah
diteliti untuk diterapkan dalam rangka membuat DSSC yang
fleksibel.
9
2.2.2. Zat Warna Pemeka
Untuk mendapatkan performa yang baik, zat warna
sensitiser harus memenuhi beberapa persyaratan. (1) Idealnya,
mampu menyerap semua cahaya matahari mulai dari panjang
gelombang dekat-IR hingga mencapai 920 nm, (2) secara
struktur harus memiliki gugus fungsi yang mampu mengikat
zat warna ke permukaan semikonduktor, yang secara umum
gugus karboksilat atau fosfonat, (3) harus memiliki energi
Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) dibawah pita
konduksi dari semikonduktor untuk menjamin terjadinya
injeksi elektron, (4) posisi energi Highest Occupied Molecular
Orbital (HOMO) harus berada dibawah potensial redoks dari
elektrolit, (5) memiliki stabilitas yang baik. Jika zat warna
masih memiliki performa yang baik setelah 108 putaran, hal
tersebut sama dengan 20 tahun stabil untuk menyerap cahaya
matahari (Hagfeldt, dkk., 2010; Jena, dkk., 2012).
Zat warna untuk DSSC dapat dibagi menjadi 2 jenis,
yaitu senyawa kompleks logam seperti rhutenium, osmium,
besi atau kompleks berbasis seng dan yang kedua senyawa
organik diantaranya indolin, kumarin dan carbazole. Barubaru ini, Mathew dkk telah berhasil menyiapkan sel dengan
efisiensi sebesar 13% menggunakan zat warna kompleks
seng-porpirin (Mathew, dkk., 2014).
Hingga saat ini, hampir semua zat warna ditandai dengan
struktur donor-π-akseptor (D-π-A) (Hagfeldt, dkk., 2010;
Manoharan & Anandan, 2014). Diantara mereka, gugus
pendonor tidak hanya dapat mempengaruhi spektra absorpsi
tetapi juga mengatur tingkat energi dari sensitiser. Dan
perubahan kecil pada geometri struktur pendonor dapat
menghasilkan sifat fotofisika, elektrokimia dan sifat lain yang
10
menarik (Wan, dkk., 2012). Oleh karena itu, penelitian dari
gugus pendonor dari sistem D-π-A sangat penting untuk
menyeimbangkan photovoltage, gaya dorong atau driving
forces dan respon spektral.
Gambar 2 1 Sistem D-π-A dalam struktur zat warna organik. Gugus
donor (biru), π-konjugasi (merah) dan gugus penerima
(hijau)
Sumber: Srinivas dkk, 2011
Hingga saat ini, banyak penelitian tentang investigasi
pengaruh unit pendonor yang berbeda terhadap sifat zat
warna. Tamilvan dkk. meneliti pengaruh pendonor yang
berbeda (metoksi atau heksiloksi tersubstitusi trifenilamin dan
difluorenephenylamine) pada sifat zat warna, dan mereka
menemukan bahwa sifat optik, elektrokimia dan sifat
photovoltaic dari zat warna dapat terpengaruh oleh efek sterik
gugus pendonor elektron (Tamilvan, dkk., 2012). Hal yang
sama juga dilakukan oleh Tian dkk., dimana mereka meneliti
pengaruh unit pendonor (10-phenyl-10H-phenothiazine, 10phenyl-10H-phenoxazine dan triphenylamine) pada performa
DSSC. Mereka menemukan bahwa variasi struktur dari
11
pendonor elektron mempunyai pengaruh tidak hanya pada
charge combination, tetapi juga pada tepi pita konduksi (Guo,
dkk., 2013).
2.2.3. Semikonduktor
Semikonduktor oksida berperan penting dalam DSSC.
Dia menerima elektron dari zat warna yang tereksitasi yang
menempel pada permukaan dan berperan sebagai material
pentransport elektron yang memastikan transfer elektron
menuju bagian depan dari sel surya. Untuk memahami kenapa
celah pita semionduktor yang lebar digunakan pada fotoanoda
DSSC, salah satunya harus digambarkan sifat elektronik dari
material (Kusumawati, 2015).
Berdasarkan konduktivitas listriknya, material solid
state dibagi menjadi 3 kategori yaitu insulator, semikonduktor
dan konduktor. Sifat konduktivitas mereka dapat dijelaskan
dengan menjabarkan sifat elektronik solid state. Pertama,
dilihat dari skala atomik. Setiap atom memiliki orbital atom
yang dipenuhi dengan elektron dan lainnya kosong. Orbital
yang terisi elektron memiliki energi yang lebih rendah jika
dibandingkan dengan yang kosong. Orbital terisi yang
memiliki energi tertinggi disebut HOMO (Highest Occupied
Molecular Orbital) dan yang lain memiliki energi kosong
terendah disebut LUMO (Lowest Unoccupied Molecular
Orbital). Dalam kasus material padat ada atom dengan jumlah
yang banyak. Sebagai konsekuensinya, kulit terluar, suk-kulit
dan gabungan orbital, menyediakan lebih banyak dari tingkat
energi yang tersedia, kemudian akhirnya membentuk pita
energi yang kontinu. Sehingga HOMO pada suatu atom
menjadi pita valensi pada padatan dimana LUMO menjadi
pita konduksi. Pada beberapa padatan, ada jarak antara pita
12
konduksi dan pita valensi yang disebut dengan jarak pita
(band gap). Itu juga disebut pita terlarang dimana tidak ada
kemungkinan untuk mencari elektron. Informasi mengenai
tingkat energi pada material solid state dapat ditampilkan
pada diagram energi (Kusumawati, 2015).
Gambar 2.2 menunjukkan diagram energi dari
insulator, semikonduktor dan konduktor. Jarak pita pada
insulator merupakan yang terbesar, diatas 6 eV pada suhu
ruang. Hal ini mengindikasikan bahwa energi diatas nilai
tersebut harus ditransfer oleh elektron tereksitasi dari pita
valensi menuju pita konduksi. Kebalikannya, material
konduktor tidak memiliki jarak pita dan pita konduksinya
sebagian terisi. Semikonduktor memiliki sifat elektronik
intermediet diantara insulator dan konduktor. Semikonduktor
yang paling sering digunakan adalah gerranium yang
memiliki energi jarak pita 0,72 eV dan silika yang memiliki
energi jarak pita 1,1 eV (Sharma, 1996). Energi jarak pita
untuk semikonduktor oksida umumnya sedikit lebih besar,
contohnya TiO2 yaitu 3,2-3,4 eV; ZnO = 3,2 eV dan SnO2 =
3,8 eV (Gong, dkk., 2012).
Gambar 2 2 Skema diagram energi insulator, semikonduktor dan
konduktor
13
Karena sifat elektroniknya yang unik, semikonduktor
banyak
digunakan
dalam
perangkat
elektronik.
Konduktivitasnya dapat dikontrol dengan menerapkam energi
tertentu yang sesuai dengan energi jarak pitanya. Dalam hal
perangkat sel surya photovoltaic, energi cahaya matahari
merupakan sumber untuk menghasilkan energi listrik. Ada
banyak macam perangkat sel surya yang berbeda.
Perkembangan DSSC dimotivasi dengan mengganti sel surya
silika dengan solar sel yang lebih murah. TiO2 anatase telah
dipilih sebagai jantung dari DSSC karena harganya yang
murah, ketersediaannya, stabilitas kimia dan kemampuan
absorpsinya.
Titanium dioksida semikonduktor dengan celah pita
yang lebar dengan berbagai keuntungan sifat kimia, struktur,
sifat optik, dan sifat elektronik (Facci & Huguenin, 2010;
Fenoglio, dkk., 2009; Khare, dkk., 2011; Kozeij, dkk., 2009;
Liao, dkk., 2012; Nussbaumer, dkk., 2003). Aplikasi utama
dari TiO2 antara lain pigmen (Liao, dkk., 2012), pelapis
(Parkin & Palgrave, 2005), sensor gas (Karunagaran, dkk.,
2007), baterai (Wang, dkk., 2009), fotokatalisi (Fujishima,
dkk., 2008; Linsebigler, dkk., 1995) dan bidang energi
misalnya produksi hidrogen (Ni, dkk., 2007) dan sel surya
(Burschka, dkk., 2013; Kim, dkk., 2012; Liu & Kelly, 2014).
Perbedaan struktur polimorf dari TiO2 (anatase, brookit
dan rutile) menyebabkan adanya perbedaan sifat. Berdasarkan
ketiga polimorf TiO2, anatase merupakan fase yang banyak
digunakan daam literatur DSSC karena konduktivitasnya yang
baik (Hagfeldt, dkk., 2010; Reyes-Coronado, dkk., 2008).
Selain itu, permukaan anatase (101) memiliki energi
14
permukaan yang paling rendah yang akan membantu adsorpsi
zat warna (Fisher, dkk., 2000). Terdapat beberapa data pada
DSSC yang menggunakan fasa rutile. DSSC berbasis fasa
rutile telah menarik beberapa perhatian karena potensi biaya
produksinya yang murah dan keunggulan karakteristik
persebaran cahaya yang dapat berguna untuk penyerapan
cahaya matahari (Bisquert & Vikhrenko, 2004; Magne, dkk.,
2011; Thomas & Syres, 2012).
Selain TiO2, ada semikonduktor lain yang memiliki
potensi untuk digunakan karena sifat elektroniknya mirip
dengan TiO2. Gambar 2.3 menunjukkan diagram energi dari
semikonduktor alternatif bersama tingakt energi dari beberapa
pasangan redoks (Gong, dkk., 2012). ZnO merupakan
semikonduktor yang paling banyak diteliti setelah TiO2.
Gambar 2 3 Diagram energi beberapa semikonduktor
Sumber: Gong dkk, 2012
ZnO dapat digunakan sebagai material alternatif untuk
menggantikan TiO2 dalam DSSC. ZnO wurtzite merupakan
15
struktur kristal paling stabil dari ZnO. Dibandingkan TiO2,
ZnO memiliki mobilitas elektron dan koefisien difusi yang
lebih tinggi. Hal ini berpotensi menguntungkan untuk aplikasi
DSSC karena dapat menimbulkan transfer muatan dan
mengurangi rekombinasi muatan yang cepat (Quintana, dkk.,
2009).
Terdapat banyak faktor yang telah dilaporkan tentang
batasan aplikasi ZnO dalam DSSC dan berperan dalam
efisiensi yang lebih rendah dari DSSC berbasis ZnO
dibandingkan dengan TiO2. Faktor ini adalah injeksi elektron
yang lambat, regenerasi zat warna yang rendah (Quintana,
dkk., 2007) dan ketidakstabilitasan ZnO dalam zat warna
asam (Zhang, dkk., 2009). Perbedaan kinetika injeksi antara
ZnO dan TiO2 dijelaskan dengan perbedaan dalam pita
konduksi dari struktur dan mekanisme injeksi elektron dari
ZnO yang terlewat melalui keadaan intermediet (Zhang, dkk.,
2009).
Zat warna yang biasanya digunakan dalam DSSC akan
terikat pada permukaan TiO2 melalui ikatan dengan gugus
karboksil dari zat warna. Ikatan ini sulit terbentuk pada ZnO,
karena tidak stabil pada kondisi larutan asam dari zat warna.
Selain itu kondisi ini dapat menyebabkan aglomerasi Zn2+
dengan zat warna.
Perhatian utama dari ZnO adalah kristalisasi dan
pertumbuhan anisotropiknya yang relatif mudah. Selain itu
preparasi struktur ZnO dengan berbagai bentuk juga cukup
mudah. Nanostruktur 1 dimensi dari Z nO yang disemut
nanowire, penting dalam DSSC karena dapat mengurang laju
rekombinasi (Zhang, dkk., 2009). Nanowire ZnO bercabang
16
juga menarik dikarenakan kemampuannya untuk menyerap
zat warna pemeka yang lebih banyak (Omar & Abdullah,
2014). Material lain yang menarik adalah partikel heksagonalbatang ZnO yang berdiameter 35 nm. Struktur ini digunakan
untuk preparasi lapisan berpori dengan sintering yang
memfasilitasi transport muatan elektron. Selain itu, hal
tersebut menghadirkan pori yang lebih besar yang
menyediakan ruang yang baik untuk sensitasi zat warna dan
penetrasi elektrolit dan menghasilkan efisiensi konversi yang
lebih baik dibandingkan bentuk yang lain (Hosni, 2014).
2.2.4. Elektrolit
Elektrolit terdiri dari pasangan redoks dan aditif yang
terlarut dalam pelarut organik. Komponen paling penting dari
elektrolit adalah pasangan redoks. Peran pasangan redoks
adalah untuk meregenerasi zat warna yang terokdidasi dengan
menyediakan sebuah elektron. I3-/I- adalah pasangan redoks
paling popular yang digunakan dalam DSSC sejak hasil
rintisan oleh O’Regan dan Gratzel pada tahun 1991 (O'Regan
& Grätzel, 1991). Keuntungan utamanya terdapat pada
kinetika reduksi yang lambat dari I3- dan reaksi parasit
rekombinasi yang lambat (Gong, dkk., 2012). Bahkan, I3-/Ihampir memenuhi kebutuhan utama dari komponen elektrolit
yaitu: potensial redoks harus dibawah tingkat HOMO dari zat
warna, regenerasi secara efisien zat warna, konduktivitas
tinggi (~10-3 S.cm-1), mudah menembus kedalam pori
fotoanoda, kontak yang baik antara fotoanoda dan elektroda
pembanding. Bahkan, dia tidak menyebabkan desorpsi zat
warna dari fotoanoda, tidak merusak segel sel dan memiliki
stabilitas kimia dan termal yang baik (Boschloo & Hagfeldt,
2009; Jena, dkk., 2012).
17
Perkembangan pada penelitian DSSC menunjukkan
bahwa pasangan redoks I3-/I- bukan merupakan elektrolit
terbaik untuk DSSC karena dia bersifat korosif terhadap
logam termasuk Ag, Au dan Cu, yang membuat pemilihan
material untuk modul DSSC sangat terbatas. I3-/I- juga
memiliki 2 kekurangan yang lain: pertama, dia menyerap
cahaya pada daerah panjang gelombang 350-450 nm dan
kedua, nilai potensial reduksinya cukup rendah dan
membatasi tegangan rangkaian terbuka pada DSSC (Fan,
dkk., 2013; Feldt, dkk., 2011; Hamann, 2012; Klahr &
Hamann, 2009).
Pasangan redoks kobalt (II)/(III) merupakan salah satu
kandidat utama untuk menggantikan I3-/I-. Mereka memiliki
sifat yang menjanjikan seperti absorbansi pada daerah 350450 nm yang lebih sedikit dibandingkan dengan I3-/I-, sifat
rendah korosif, dengan mengubah ligan atau dengan
menambahkan substituen tertentu ke ligan dapat disesuaikan
dengan potensial ground state zat warna, dalam hal regenerasi
zat warna dengan kehilangan over-potential yang minimal
(Feldt, dkk., 2011; Hamann, 2012; Yum, dkk., 2012). Akan
tetapi, kompleks kobalt (II)/(III) memiliki struktur yang bulki
yang menghalangi transport masa melalui fotoelektroda dan
memiliki kinetika rekombinasi yang cukup cepat dengan
elektron dari pita konduksi TiO2 (Hamann, 2012).
Beberapa usaha telah dilakukan untuk mengatasi
batasan DSSC berbasis kobalt. Pemanfaatan fotoelektroda
tipis dan lebih berpori dibutuhkan untuk memfasilitasi
transport masa dari spesi redoks kobalt (Feldt, dkk., 2010;
Hamann, 2012; Pazoki, dkk., 2014). Beberapa peneliti
18
menutupi permukaan TiO2 menggunakan alumina untuk
mempasifkannya. Alumina dapat menghambat rekombinasi
elektron dengan berperan sebagai penghalang antara elektron
konduktif dan mediator redoks (Pascoe, dkk., 2013).
Menggunakan zat warna yang memiliki rantai alkil yang
panjang atau gugus alkoksi yang bulki dapat menghalangi
rekombinasi pada semikonduktor dan antarmuka elektrolit
(Bai, dkk., 2011; Feldt, dkk., 2010; Feldt, dkk., 2011).
Penambahan aditif pada performa sel berbasis kobalt
telah diteliti. Dilaporkan bahwa meningkatkan Li+ mendorong
meningkatnya masa hidup elektron dikarenakan reduksi dari
laju transfer muatan sebagai akibat dari menurunnya
konsentrasi Co3+ lokal. Penambahan 4-tert-butilpiridin dengan
kehadiran Li+ memfasilitasi transfer muatan dari Co2+ menuju
kation zat warna dan kemudian miningkatkan arus pendek
(JSC) (Feldt, dkk., 2010).
2.2.5. Elektroda Pembanding
Pada DSSC, elektroda pembanding mempercepat reaksi
reduksi spesi kumparan teroksidasi. Seperti telah disebutkan
dalam seksi TCO sebelumnya, khususnya FTO, secara
sederhana digunakan sebagai elektroda pembanding setelah
diaktivasi dengan endapan dari suatu katalis. Katalis yang
paling sering digunakan adalah platinum (Pt) (Jena, dkk.,
2012). Pt disimpan dalam substrat dengan annealing termal
suatu garam, elektrodeposisi atau deposisi uap. Untuk
membatasi biaya, sejumlah kecil Pt disimpan, biasanya sekitar
5 µg.cm-2 (Hagfeldt, dkk., 2010).
19
Banyak material yang telah diteliti untuk menggantikan
Pt seperti material karbon (grafit (Roy-Mayhew, dkk., 2010)
atau nano-tube karbon (Hashmi, dkk., 2014)), polimer
penghantar (seperti poli(3,4-etilendioksitiopen)(PEDOT)) atau
kobalt sulfida yang memiliki sifat katalitik yang baik. Bahkan
dika performa mereka tidak sebaik Pt, tetapi penggunaan
mereka lebih ekonomis (Hagfeldt, dkk., 2010).
2.3. Prinsip Kerja DSSC
Pada DSSC terjadi proses absorpsi cahaya matahari
oleh zat warna. Zat warna yang menyerap cahaya matahari
tersebut kemudian mengalami eksitasi elektron. Lalu elektron
yang tereksitasi diinjeksi menuju semikonduktor TiO2. Prinsip
kerja diawali dengan proses eksitasi elektron di dalam zat
warna akibat absorpsi foton dari cahaya matahari [Persamaan
2.1]. Penyerapan cahaya matahari oleh zat warna memberikan
energi untuk mempromosikan elektron ke enrgi yang lebih
tinggi. Setelah penyerapan foton dari energi yang akurat,
elektron dari HOMO zat warna tereksitasi menuju LUMO.
S + hv  S*
[2.1]
Elektron dari keadaan tereksitasi kemudian terinjeksi
menuju pita konduksi TiO2 sehingga zat warna teroksidasi
[Persamaan 2.2]. Untuk dapat dengan mudah terjadi transfer
dari zat warna menuju semikonduktor dibutuhkan transisi
yang efektif. Untuk melakukan transisi ini dibutuhkan posisi
LUMO atau orbital lain yang merupakan destinasi elektron
yang tereksitasi (misalnya LUMO+1) harus dekat dengan
gugus pengikat (anchoring group) (Le Bahers, dkk., 2011).
20
S*  S+ + e- TiO2
[2.2]
Gambar 2 4 Skema kerja DSSC
Sumber: (Grätzel, 2003)
Zat warna yang teroksidasi kemudian direduksi hingga
kembali ke keadaan semulan (ground state) oleh elektron dari
elektrolit I3-/I- [Persamaan 2.3]. Regenerasi dari sensitiser oleh
I- mencegah penangkapan kembali elektron oleh zat warna
yang teroksidasi (Gratzel, 2005).
S+ + 3I-  2S +I3-
[2.3]
21
Untuk mendapatkan listrik, elektron harus menempuh
perjalanan
didalam
semokonduktor.
Semikonduktor
mengandung nanopartikel, yang berarti elektron harus
melewati banyak partikel sebelum mereka mencapai kontak
depan TCO. TCO atau lapisan oksida tersebut secara elektrik
terhubung dengan rangkaian luar. Elektron akhirnya
melakukan perjalanan kembali melalui rangkaian luar hingga
mencapai elektroda pembanding. Ion tri-iodida melayanglayang didalam elektrolit hingga mereka mencapai katoda
untuk menggantikan elektron yang hilang dari elektroda
pembanding. Ion tri-iodida kemudian mengalami regenerasi
dengan direduksi kembali oleh elektroda pembanding
sehingga terbentuk iodida (I-) [Persamaan 2.4] (Al-Alwani,
dkk., 2016)
I3- + 2e  3 I-
[2.4]
2.4. Kimia Kuantum
Mekanika kuantum (Quantum Mechanics) merupakan
deskripsi matematis yang tepat untuk sifat elektron dalam
kimia. Dalam teori, mekanika kuantum dapat memprediksi
berbagai sifat dari atom ataupun molekul (Young, 2001).
Kimia kuantum telah membuka kemungkinan untuk
menghitung energi molekul ata sifat lain seperti sifat
magnetik, optik dan termal dari suatu sistem. Persamaan
Schrödinger dapat dipertimbangkan sebagai jantung dari
kimia kuantum dikarenakan solusinya yang secara teori dapat
menjawab banyak pertanyaan tentang sifat molekul melalui
persamaan berikut (Schrödinger, 1926):
ĤΨ = EΨ
22
[2.5]
Ĥ (operator Hamiltonian) merupakan operator
diferensial yang menggambarkan total energi dari molekul.
Untuk suatu sistem yang mengandung M inti atom dan N
elektron, dinyatakan dengan persamaan berikut:
[2.6]
Simbol pada persamaan 2.6 menggambarkan; 1) energi
kinetik elektron; 2) energi kinetik inti; 3) interaksi
elektrostatik antara inti atom dan elektron; dan 4) potensial
tolakan dikarenakan interaksi elektron-elektron dan inti-inti.
A dan B adalah indeks dari inti M; dimana i dan j untuk
elektron N.
merupakan operator Laplacian, biasanya dalam
koordinat Cartesian:
[2.7]
E merupakan energi dari sistem, Ψ merupakan fungsi
gelombang yang ada dalam sistem. Karena massa inti atom
lebih besar dibandingkan dengan elektron, inti atom bergerak
lebih lambat dibandingkan dengan elektron. Sehingga,
persamaan 2.c dapat disederhanakan dengan mengasumsikan
bahwa energi kinetik dan potensial dari inti atom adalah 0
dikarenakan tolakan inti-inti adalah konstan. Perkiraan ini
pertama kali diusulkan oleh Born-Oppenheimer yang
mendapatkan Hamiltonian elektronik berikut (Born &
Oppenheimer, 1927):
23
[2.8]
Persamaan Schrodinger dan perkiraan Born-Oppenheimer
merupakan dua konsep dasar dalam kimia kuantum.
Sayangnya, hingga saat ini, persamaan ini tetap dapat
dipecahkan secara analitik hanya pada beberapa kasus dengan
jumlah elektron yang terbatas. Fakta ini telah mendorong
banyak peneliti untuk mengembangkan metode numerik baru
dalam rangka untuk menghitung struktur elektronik suatu
sistem yang berbeda ukuran. Tiga jenis utama pendekatan
komputasi yang paling sering digunakan untuk perhitungan
adalah:
1. Metode
ab-initio:
memecahkan
persamaan
Schrödinger menggunakan pendekatan matematis.
Metode ini berdasarkan pada mekanika kuantum dan
beberapa parameter umum seperti kecepatan cahaya,
massa inti dan elektron serta konstanta Planck.
2. Metode semi-empirik: menggunakan parameter yang
berasal dari data eksperimen untuk memecahkan
persamaan Schrödinger
3. Teori fungsi kerapatan (DFT): sama seperti
metodeab-initio, DFT menggunakan perkiraan
matematis. Namun, DFT diperoleh dari distribusi
elektron (sistem fungsi densitas elektron)
2.5. Density Functional Theory (DFT)
Teori fungsi kerapatan (DFT) merupakan metode
komputasi untuk perhitungan struktur keadaan dasar
elektronik yang menentukan sifat suatu sistem sebagai fungsi
24
densitas elektron. Itulah perbedaan utama dibandingkan
dengan teori sebelumnya, yang mana menggambarkan suatu
sistem atau molekul dengan banyak fungsi gelombang
elektron Ψ (r1, r2, ..., rN). Hohenberg, Kohn dan Sham yang
telah mengembangkan teori deskripsi keadaan dasar dari
interaksi tidak homogen elektron gas, telah memberikan
konsep dasar dari DFT (Hohenberg & Kohn, 1964; Kohn &
Sham, 1965). Hohenberg dan Kohn mendalilkan teorema
pertama mereka yang menghubungkan potensial (v(r)),
densitas partikel ρ(r) dan keadaan dasar fungsi gelombang
(Ψ0) melalui pemetaan 1-1:
ρ(r)
v (r)
Ψ0
[2.9]
Dengan kata lain, teorema ini menyebutkan bahwa dalam
rangka untuk menyelidiki sifat molekul, kita harus
mengetahui densitas elektron deadaan dasar. Untuk
mencarinya maka digunakan teorema HK-2 yang menyatakan
bahwa densitas elektron keadaan dasar merupakan salah satu
yang berhubungan dengan energi minimum, yang mana telah
diketahui sebagai prinsip variasi dalam matematis (Baerends
& Gritsenko, 1997; Koch & Holthausen, 2000).
Teorema HK-1 ditujukan untuk sistem yang
mengandung hanya satu elektron. Persamaan ini tidak
mencantumkan interaksi partikel antara dua atom atau lebih.
Untuk
mengatasi
kesulitan
ini,Kohn
dan
Sham
memperkenalkan konsep orbital Kohn-Sham. Orbital ini
mengandung satu fungsi elektron yang tidak saling
berinteraksi satu sama lain. Peningkatan kemudian difokuskan
25
untuk mencari fungsi korelasi pertukaran yang bergantung
pada sistem yang diamati.
Salah satu fungsi korelasi tersebut adalah fungsi
hibrida. Fungsi hibrida adalah fungsi yang mengandung
termasuk bagian dari pertukaran Hartree-Fock (
.
Perkembangan metode ini diinisiasi oleh Axel Becke pada
tahun 1993 (Becke, 1993). Bagian dari fungsi hibrida Becke,
banyak fungsi hibrida lain telah dikembangkan seperti B3LYP
(Becke, 3 parameter, Lee-Yang-Parr) (Becke, 1993; Lee, dkk.,
1988), LYP (Lee, dkk., 1988) dan VWN (Vosko-WilkNusair) (Vosko, dkk., 1980). Diantara semua itu, B3LYP
yang paling sering digunakan.
2.6. Basis Set
Basis set merupakan suatu fungsi yang digunakan untuk
menggambarkan bentuk orbital dalam suatu atom. Basis set
standaruntuk perhitungan struktur elektronik menggunakan
kombinasi linear dari fungsi gaussian untuk membentuk
orbital. Basis set memberikan fungsi dasar untuk setiap atom
dalam suatu molekul untuk memperkirakan orbitalnya.
Beberapa jenis basis set berbeda dalam keakurasiannya.
a. Minimal basis set: minimal basis set mengandung
jumlah minimum fungsi dasar yang dibutuhkan oleh
setiap atom. Contohnya adalah basis set STO-3G
(STO = Slater type orbital, 3G = 3 fungsi Gaussian)
yang memperkirakan orbital Slater dengan fungsi
Gaussian.
b. Split valence basis set: memiliki 2 (atau lebih) fungsi
dasar untuk setiap valensi orbital. Contoh basis set 326
21G. Maksud dari notasi 3-21G adalag angka 3
berarti inti orbital 1s adalah kombinasi linear dari 3
fungsi Gaussian. Angka selanjutnya yaitu 2 dan 1
sebelum huruf G berarti kulit valensi orbital 2s dan 2p
terpecah menjadi 2 bagian: bagian dalam kombinasi
linear dari 2 fungsi Gaussian dan bagian luar terdiri
dari 1 fungsi Gaussian.
c. Basis set terpolarisasi (polarized basis set): pada basis
set ini fungsi momentum angular ditambahkan
kedalam fungsi yang menggambarkan orbital atom.
Misalnya, basis set terpolarisasi menambahkan fungsi
d kedalam atom karbon dan beberapa menambahkan
fungsi p kedalam atom hidrogen. Contoh untuk basis
set terpolarisasi adalah basis set 6-31G(d) atau 631G* dan 6-31G(d,p) atau 6-31G**. Notasi * atau **
digunakan untuk menunjukkan bahwa fungsi
momentum angular ditambahkan.
d. Fungsi terdifusi (diffused function): basis set dengan
penambahan fungsi difusi merupakan versi besar dari
split valence basis set jenis s dan jenis p. Orbital
difusi menempati ruang yang lebih luas. Basis set
dengan fungsi difusi penting untuk sistem dimana
elektron jauh dari intinya. Modifikasi basis set ini
dilambangkan dngan penambambahan “+”. Contoh
basis set difusi adalah basis set 6-311+G (d,p) .
2.7. TDDFT (Time Dependent Density Functional Theory)
Beberapa metode yang telah dikembangkan untuk
menghitung sifat eksitasi elektron dibagi menjadi metode
berdasar fungsi gelombang dan metode berdasar densitas
elektron. Metode yang paling sering digunakan dikarenakan
27
penerapannya ke molekul besar adalah CIS (Configuration
Interaction Singles), TDHF (Time Dependent Hartree-Fock)
dan TDDFT. CIS dan TDHF merupakan metode berdasar
fungsi gelombang sementara TDDFT merupakan metode
berdasar densitas elektron (Dreuw & Head-Gordon, 2005).
TDDFT dikenalkan pertama kali oleh Runge dan Gross
(Runge & Gross, 1984). Mereka memformulasikan Teorema I
yang berbunyi:
“potensi partikel tunggal
mengarah ke
diberikannya densitas representasi v
secara unik ditentukan sehingga pemetaan yang
sesuai
dapat kembali”
(Runge & Gross, 1984)
Dengan kata lain, teorema ini merupakan bentuk
dari teorema HK-1 yang bergantung waktu (persamaan
2.9). karena potensial dan fungsi gelombang adalah
fungsi densitas, persamaan 2.9 dapat dituliskan kembali
dengan:
[2.10]
Penambahan fungsi C(t) diperlukan untuk sistem yang
bergantung waktu.
Skema yang sama yang telah digunakan untuk
mendapatkan DFT juga diaplikasikan untuk mendapatkan
TDDFT. Perbedaannya adalah semua persamaan dalam DFT
menjadi bergantung waktu pada TDDFT. Sehingga tahap
selanjutnya adalah menentukan densitas sebenarnya yang
diselesaikan dengan variasi prinsip dalam DFT. Sayangnya,
prosedur yang sama tidak dapat diaplikasikan dalam TDDFT.
28
Tidak mungkin untuk menggunakan variasi prinsip untuk
menentukan energi total dari sistem dalam TDDFT. Hal ini
dibutuhkan untuk menentukan kuantitas analog terhadap
energi (A) (Dreuw & Head-Gordon, 2005; Marques & Gross,
2004; Runge & Gross, 1984):
[2.11]
Sehingga, densitas elektron sebenarnya dapat diperoleh
dengan menyelesaikan:
[2.12]
Selanjutnya perlu ditentukan solusi dari permasalahan
untuk sistem yang mengandung lebih dari satu atom.
Formalisme Kohn-Sham menunjukkan bahwa dalam rangka
menyelesaikan sistem banyak-badan (many-body systems)
perlu ditentukan fungsi korelasi perbahan. Dalam DFFT,
fungsi korelasi perubahan bergantung waktu (vxc) dapat
diperoleh melalui persamaan:
[2.13]
Namun, solusi untuk permasalahan TDDFT tidak sederhana
seperti DFT, karena melibatkan densitas yang berkembang
terhadap waktu, ρ(r,t). Disini perlu menentukan parameter lain
yang disebut xc-kernel yang terkait dengan vxc melalui
persamaan:
[2.14]
29
Terakhir, untuk menyelesaikan permasalahan TDDFT
diperlukan untuk membuat perkiraan xc-kernel. Perkiraan
paling sederhana yang telah diformulasikan adalah Adiabatic
Local Density Approximation (ALDA) (Gross & Maitra,
2012):
[2.15]
Dimana,
merupakan energi korelasi perubahan per
elektron dari densitas gas elektron homogen.
Kunci akurasi dari TDDFT terdapat pada penemuan xckernel yang dapat mendekati sistem yang diamati (Casida,
2009; Dreuw & Head-Gordon, 2005; Marques & Gross,
2004).
30
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Perlatan yang Digunakan
3.1.1. Perangkat keras
Penelitian ini memerlukan seperangkat komputer untuk
menyelesaiakn pehitungan. Untuk keperluan tersebut,
spesifikasi komputer yang digunakan adalah Cluster komputer
total 32 core. Terdiri dari 4 komputer, masing-masing 8 core
dan memory 32 GB.
3.1.2. Perangkat lunak
Perhitungan akan dilakukan menngunakan software
Gaussian 09. Sebelum perhitungan, penggambaran molekul
awal dilakukan menggunakan software ChemSketch (2
dimensi) dan Avogadro (3 dimensi). Persiapan input file
dilakukan menggunakan software metapad. Kemudian hasil
perhitungan TD-DFT divisualisasikan menggunakan software
Gabedit dan Gaussum untuk mengetahui transisi elektronik.
Avogadro juga digunakan untuk memvisualisasikan profil
rapatan HOMO dan LUMO.
3.2. Metode Perhitungan
Secara garis besar perhitungan dilakukan sesuai skema
yang dicantumkan pada Gambar 3.1.
31
Gambar 3 1 Skema penelitian
3.2.1. Pembuatan Model Awal
Untuk melakukan penelitian ini dibutuhkan struktur 3
dimensi dari senyawa target serta konfigurasi yang tepat.
Langkah pertama, senyawa target dimodelkan secara 2
dimensi menggunakan program ChemSketch dan disimpan
32
sebagai format MDL Molfile. Lalu struktur 2 dimensi
tersebut dibuat struktur 3 dimensi dengan menggunakan
program Avogadro untuk kemudian diketahui titik
koordinatnya untuk digunakan sebagai file input dalam
penelitian ini.
File input dibuat dengan format g09 dengan
menggunakan program metapad. Pada file ini berisi perintah
operasi yang akan dijalankan menggunakan program Gaussian
09. Perintah operasi bergantung pada jenis operasi yang akan
dilakukan. Contoh file input dicantumkan pada lampiran.
3.2.2. Optimasi Geometri
Setelah dibuat file input, langkah selanjutnya yakni
dilakukan optimasi geometri terhadap senyawa target.
Optimasi geometri ini dilakukan untuk memastikan bahwa
senyawa target yang akan dihitung/ ditentukan sifat tertentu
dalam keadaan energi terendah. Optimasi geometri dilakukan
dengan metode Teori Fungsional Kerapatan atau DFT
(Density Functional Theory) (Hay & Wadt, 1985). Pada saat
optimasi struktur molekul, digunakan basis set 3-12G dan
kemudian ditingkatkan sampai 6-31G* (Ditchfield, dkk.,
1971).
3.2.3. Perhitungan TDDFT
Time Dependent DFT (TDDFT) dilakukan untuk
penyelidikan sifat elektronik dari senyawa zat warna yang
digunakan dan untuk mensimulasikan spektra absorpsi UVVis (Runge & Gross, 1984). Perhitungan dilakukan
menggunakan teori B3LYP (Lee, dkk., 1988) dan juga CAMB3LYP (Yanai, dkk., 2004). Langkah yang dilakukan untuk
33
perhitungan sama dengan optimasi geometri, hanya dibedakan
oleh kode perintah yang dituliskan pada file input untuk
perhitungan. Kemudian hasil perhitungan divisualisasikan dan
diselidiki transisi elektroniknya.
3.2.4. Perhitungan Energi Transfer Muatan
Perhitungan muatan dilakukan untuk menghitung jarak
transfer muatan (DCT) dan besar transfer muatan (qCT) (Le
Bahers, dkk., 2009) dengan suatu kode perintah. Langkah
yang dilakukan dengan menggunakan koordinat senyawa
yang telah teroptimasi, dilakukan perhitungan terhadap
keadaan dasar (ground state) dan keadaan tereksitasi (excited
state). Dari perhitungan secara komputasi, didapatkan hasil
berupa muatan pada keadaan dasar dan tereksitasi. Hasil
tersebut kemudian dilakukan perhitungan lebih lanjut dengan
menggunakan Microsoft Excel untuk mendapatkan nilai DCT
dan qCT.
34
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Optimasi Geometri
Prosedur penelitian dengan metode komputasi yang
harus dilakukan pertama kali adalah optimasi geometri. Pada
tahap ini, ditentukan struktur molekul paling stabil yang akan
diselidiki sifatnya. Suatu molekul dikatakan stabil apabila
memiliki energi paling rendah. Demikian pula pada penelitian
ini. Molekul yang ingin diamati dilakukan optimasi
geometrinya terlebih dahulu, setelah itu dilakukan
perhitungan pada titik tunggal (disebut perhitungan single
point energy). Pada beberapa kasus, diperlukan perhitungan
secara bertahap dari basis set rendah untuk memperoleh hasil
perhitungan yang baik.
4.2. Penentuan Metode Teori Perhitungan
Seperti yang telah disebutkan pada metodelogi
penelitian, perhitungan dilakukan dengan menggunakan 2
teori, yakni B3LYP serta CAM-B3LYP. Hal ini diterapkan
dikarenakan senyawa yang diobservasi memiliki struktur yang
panjang sehingga membutuhkan fungsi koreksi yang lebih
akurat. Hasil perhitungan dengan kedua teori tersebut
kemudian dibandingkan untuk dipilih salah satu yang terbaik.
35
Tabel 4 1 Perbandingan nilai λ spektra UV-Vis berdasar eksperimen
dan perhitungan komputasi dengan fungsi B3LYP dan
CAM-B3LYP
Senyawa
CB1
CT2
Eksperimen
(Srinivas,
dkk, 2011)
375
409
λ (nm)
Perhitungan Komputasi
CAMB3LYP
B3LYP
524
352
540
379
Gambar 4 1 Spektra UV-Vis senyawa CB1 dan CT2 dengan basis
set B3LYP dan CAM-B3LYP
Perbandingan penggunaan teori B3LYP dan CAMB3LYP ditampilkan pada Gambar 4.1 dan Tabel 4.1. Pada
teori CAM-B3LYP memasukkan peran gaya Coulomb dalam
fungsi korelasi. Fungsi korelasi yang tidak memperhatikan
36
peran gaya Coulomb biasanya menjadi tidak akurat pada jarak
yang besar, sehingga tidak sesuai untuk proses pemodelan
pada molekul yang besar (Jungsuttiwong, Tarsang,
Sudyoadsuk, Promarak, Khongpracha, & Namuangruk, 2013;
Kumar, et al., 2014).
Berdasarkan nilai λ absorpsi yang ditampilkan pada
Tabel 4.1, spektra UV-Vis yang dihitung menggunakan
metode CAM-B3LYP menunjukkan pergeseran yang lebih
kecil dengan hasil eksperimen dibandingkan dengan B3LYP.
Berdasarkan hasil ini, perhitungan dilakukan menggunakan
teori CAM-B3LYP untuk senyawa yang lain.
4.3. Penyelidikan Sifat Elektronik dalam Zat Warna CB1
dan CT2
Perhitungan
dilakukan
menggunakan
Program
Gaussian 09 dengan metode CAM-B3LYP (Yanai, dkk.,
2004). Sebelum dilakukan perhitungan, terlebih dahulu
dilakukan
optimasi
geometri
untuk
semua
zat
warnamenggunakan basis set 6-31G* (Ditchfield, dkk., 1971).
Hasil optimasi ditampilkan pada Gambar 4.2. Perhitungan
TDDFT titik tunggal (Runge & Gross, 1984) dilakukan
terhadap struktur teroptimasi untuk menyelidiki lebih dalam
sifat elektronik dan keadaan tereksitasi yang berkontribusi
dalam spektra UV-Vis.
37
Gambar 4 2 Struktur teroptimasi CB1 (atas) CT2 (kiri)
Hasil spektra absorpsi UV-Vis ditampilakan pada
Gambar 4.3 dan transisi elektronik serta kekuatan osilator
ditampilkan pada Tabel 4.2.
Gambar 4 3 Spektra absorpsi UV-Vis CB1 dan CT2
38
Tabel 4 2 Spektra TD-DFT terhitung dari CB1 dan CT2 dengan
kekuatan osilator, f>0,1
Panjang
gelombang,
λ (nm)
Kekuatan
osilator, f
352,56
1,5804
296,73
0,1619
259,909
0,1556
250,86
0.1478
379,39
1,3452
261,54
0,1356
250,81
0,1472
Kontribusi utama
CB1
HOMO  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO  LUMO
HOMO  LUMO+1
HOMO  LUMO+1
HOMO  LUMO
HOMO-1 LUMO+2
HOMO  LUMO+6
CT2
HOMO  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO  LUMO+1
HOMO-6  LUMO
HOMO-1 
LUMO+2
HOMO  LUMO+6
Prosentase
kontribusi
utama
54%
33%
54%
24%
11%
60%
18%
75%
14%
52%
40%
40%
29%
76%
13%
Hasil spektra absorpsi UV-Vis menunjukkan bahwa
CT2 mengalami pergeseran merah sebesar 27 nm,
dibandingkan dengan CB1. Berdasarkan data pada Tabel 4.2
untuk kedua zat warna, transisi elektronik dikontribusi
utamanya oleh transisi HOMO  LUMO dan HOMO-2 
LUMO. Ditambah lagi, berdasarkan visualisasi orbital
molekul pada Gambar 4.4, pemisahan muatan antara orbital
HOMO-2 dan LUMO tidak sebagus antara HOMO dan
39
LUMO. Berdasarkan informasi pada Tabel 4.2 kontribusi dari
transisi HOMO  LUMO meningkat dari CB1 (54%) ke CT2
(52%). Hal ini sesuai dengan hasil yang diperoleh Srinivas
dan kawan-kawan pada penelitiannya. Hasil yang dilaporkan
menunjukkan kontribusi utama pada transisi elektronik
didominasi oleh transisi HOMO  LUMO dengan nilai 0.552
untuk CB1 dan 0.546 untuk CT2 (Srinivas, dkk., 2011).
Sehingga kita menyimpulkan bahwa pemisahan muatan CB1
lebih baik dari CT2.
Untuk menghitung muatan yang ditransfer (qCT) dan
jarak pemisahan muatan (DCT) dilakukan perhitungan
menggunakan model transfer muatan yang telah digambarkan
oleh Jacquemin dan kawan-kawan (Jacquemin, dkk., 2012).
Hasil perhitungan ditampilkan pada Tabel 4.3. Informasi yang
didapatkan dari tabel tersebut adalah CB1 memiliki qCT yang
lebih besar dibandingkan dengan CT2. Akan tetapi, CB1
memiliki DCT yang lebih kecil dibandingkan dengan CT2.
Ilustrasi jarak pemisahan muatan CB1 dan CT2 ditampilkan
pada Gambar 4.4. Berdasarkan nilai DCT dan qCT, pemisahan
pada CB1 dan CT2 terlihat sama-sama cukup baik. Karena
CB1 memiliki qCT yang lebih besar maka dapat disimpulkan
bahwa CB1 memiliki pemisahan yang lebih baik dari CT2.
Tabel 4 3 Nilai DCT dan qCT zat warna CB1 dan CT2
Senyawa
CB1
CT2
40
DCT (Å)
3.967
5,419
qCT (e)
0,441
0,402
CB1
CT2
EHOMO-2= -7,695 eV
EHOMO-2= -7,540 eV
EHOMO= -6,796 eV
EHOMO= -6,786 eV
ELUMO= -1,804 Ev
ELUMO= -1,902 eV
Gambar 4 4 HOMO-2 (atas); HOMO (baris 2); gambaran DCT
(baris 3) dan LUMO (bawah)
41
Profil rapatan HOMO dan LUMO ditampilkan pada
Gambar 4.4. Berdasarkan profil rapatan elektron
menunjukkan HOMO utamanya terletak pada gugus carbazole
sementara LUMO terletak utamanya pada gugus cyanoacrylic.
Dari gambar tersebut tampak bahwa pada kedua zat warna,
posisi LUMO mendekati sisi pengikat TiO2, yaitu gugus
COOH. Hal ini baik untuk mempermudah injeksi elektron
dari LUMO menuju pita konduksi semikonduktor TiO2.
Gambar 4 5 Diagram energi HOMO-LUMO CB1 dan CT2
Perhitungan tingkat energi orbital molekul untuk kedua
senyawa yang terlibat dalam transisi elektronik utama
bersama dengan tingkat energi pita konduksi dan pita valensi
dari semikonduktor TiO2 dan juga posisi energi elektrolit I3-/Iditampilkan dalam Gambar 4.5. Tingkat energi dari
42
semikonduktor TiO2 diambil dari referensi (Chung, dkk.,
2012). Gambar tersebut memberikan informasi bahwa posisi
energi LUMO dari kedua senyawa memenuhi kriteria untuk
injeksi muatan yang efisien ke pita konduksi TiO2. Hal
tersebut membutuhkan posisi LUMO diatas pita konsuksi dari
semikonduktor. Sementara untuk regenerasi zat warna, posisi
HOMO harus berada dibawah potensial redoks dari elektrolit.
Dengan posisi ini menjamin gaya dorong yang cukup untuk
aliran elektron. Posisi LUMO dari CB1 terletak diatas CT2
sehingga CB1 memiliki gaya dorong untuk injeksi elektron
menuju semikonduktor yang sedikit lebih besar dibandingkan
dengan CT2. Hasil ini juga sejalan dengan perhitungan yang
dilakukan oleh Srinivas dan kawan-kawan (2011) (Srinivas,
dkk., 2011).
Berdasarkan analisis tersebut menunjukkan bahwa CB1
dan CT2 menunjukkan hasil yang sama baiknya, sehingga
kedua zat warna tersebut sama-sama berpotensi diaplikasikan
menjadi zat warna dalam DSSC. Namun berdasarkan hasil
eksperimen dari penelitian Srinivas dkk, CT2 memiliki
koefisien konversi 0,819% yang mana nilainya lebih besar
dibandingkan dengan koefisiensi konversi CB1 yakni 0,695%.
Dalam Srinivas dan kawan-kawan menyimpulkan efisiensi sel
DSSC ini meningkat dengan pergantian benzen dengan tiopen
pada π-spacer (Srinivas, dkk., 2011). Dengan alasan tersebut,
pada penelitian kali ini dilakukan modifikasi struktur terhadap
senyawa CT2.
43
4.4. Pengaruh Penambahan Gugus Pendorong Elektron
terhadap Sifat Elektronik Zat Warna CT2
Molekul zat warna organik dengan struktur D- π-A
menunjukkan efisiensi konversi yang menjanjikan dalam
perkembangan DSSC dewasa ini (Hagfeldt, dkk., 2010;
Manoharan & Anandan, 2014). Diantaranya, gugus pendonor
tidak hanya mempengaruhi spektra absorpsi UV-Vis tetapi
juga mengatur tingkat energi dari zat warna. Dan perubahan
kecil pada geometri struktur pendonor dapat menghasilkan
sifat fotofisika, elektrokimia dan sifat lain yang menarik
(Wan, dkk., 2012). Dan mungkin dengan menambahkan
substituen pendorong elektron yang kuat dapat memfasilitasi
transfer muatan intramolekular antara donor dan akseptor dan
mendorong pada peningkatan absorpsi (Hagberg, dkk., 2009;
Im, dkk., 2010). Contoh gugus pendorong elektron yang kuat
diantaranya alkoksi (-OR) dan amina (-NHR).
Penambahan
gugus
yang
pertama
dengan
menambahkan –OCH3 dan –NH(CH3) masing-masing pada
posisi C3 dan C6 gugus carbazole. Senyawa dengan
penambahan –OCH3 kemudian disebut dengan CT_Metoksi
sementara dengan penambahan –NH(CH3) disebut dengan
CT_NC1. Sama seperti bagian sebelumnya, sebelum
dilakukan perhitungan dilakukan optimasi geometri terlebih
dahulu terhadap kedua zat waran tersebut dengan
menggunakan basis set 6-31G*. Struktur teroptimasi
ditampilkan pada Gambar 4.6. Perhitungan TDDFT titik
tunggal juga dilakukan terhadap struktur teroptimasi untuk
menyelidiki lebih dalam sifat elektronik dari zat warna.
44
Gambar 4 6 Struktur teroptimasi CT_Metoksi (atas) dan CT_NC5
(bawah)
Spektra absorpsi UV-Vis ditampilkan pada Gambar 4.7
dan karakter dari tansisi elektronik dalam spektra UV-Vis
ditampilkan pada Tabel 4.4.
Gambar 4 7 Spektra absorpsi UV-Vis zat warna CT_Metoksi dan
CT_NC1
45
Tabel 4 4 Spektra TD-DFT terhitung untuk CT_Metoksi dan
CT_NC1 dengan kekuatan osilator, f>0,1
Panjang
gelombang,
λ (nm)
Kekuatan
osilator, f
397,75
1,2162
333,01
0,3507
282,44
0,1766
259,81
0,1922
424,96
0,9339
345,61
0,6899
298,05
275,18
0,154
0,1518
Kontribusi utama
CT_Metoksi
HOMO  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO  LUMO
HOMO  LUMO+1
HOMO  LUMO
HOMO-1 
LUMO+2
CT_NC1
HOMO  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO  LUMO
HOMO  LUMO+1
HOMO-1 
LUMO+2
HOMO  LUMO+3
Prosentase
kontribusi
utama
64%
25%
67%
22%
69%
12%
80%
77%
14%
76%
14%
73%
60%
23%
Spektra absorpsi UV-Vis menunjukkan bahwa dengan
penambahan –O(CH3) dan –NH(CH3) pada molekul CT2
menggeser spektrum UV-Vis ke pergeseran merah.
Penambahan CT_NC1 menunjukkan pergeseran yang lebih
jauh dibandingkan dengan CT_Metoksi. Dengan penambahan
gugus tersebut tampak pula memberikan spektrum yang lebih
luas. Sementara berdasarkan karakter transisi elektronik
menunjukkan bahwa untuk kedua zat warna kontribusi utama
didominasi oleh transisi HOMO  LUMO. Pada CT_NC1
46
menunjukkan prosentase kontribusi HOMO  LUMO yang
lebih besar (77%) dibandingkan dengan CT_Metoksi (64%).
Dengan begitu dapat disimpulkan bahwa pemisahan muatan
pada CT_NC1 lebih baik dibandingkan dengan CT_Metoksi.
Tabel 4 5 Nilai DCT dan qCT zat warna CT_Metoksi dan CT_NC1
Senyawa
CT_Metoksi
CT_NC1
DCT (Å)
3,9583
1,786
qCT (e)
0,723
0,969
Hasil perhitungan DCT dan qCT ditampilkan pada Tabel
4.5 yang menunjukkan CT_NC1 memiliki nilai qCT yang lebih
besar dibandingkan CT_Metoksi. Hasil ini mengkonfirmasi
bahwa penambahan gugus –NH(CH3) menunjukkan
peningkatan qCT yang lebih besar dibandingkan dengan ketika
ditambahkan –OCH3. Akan tetapi, peningkatan nilai qCT tidak
didukung dengan peningkatan DCT. Baik CT_Metoksi maupun
CT_NC1 menunjukkan penurunan DCT dibandingkan dengan
CT2. Penggambaran jarak transfer muatan ditampilkan pada
Gambar 4.8. Berdasarkan analisis ini maka dapat disimpulkan
bahwa CT_Metoksi memiliki pemisahan yang lebih baik dari
CT_NC1. Hal ini disebabkan jarak transfer muatan pada
CT_NC1 terlalu kecil sehingga dikhawatirkan akan terjadi
rekombinasi elektron pada sistem.
Orbital molekul HOMO dan LUMO dari zat warna
CT_Metoksi dan CT_NC1 ditunjukkan pada Gambar 4.8.
Letak HOMO dari kedua zat warna sama-sama terpusat pada
gugus carbazole dan begitu pula dengan LUMO yang terpusat
pada gugus cyanoacrylic. LUMO dari kedua zat warna terlihat
47
mendekati sisi pengikat antara zat warna dengan
semikonduktor yang mengindikasikan bahwa elektron akan
berpindah dengan mudah dari LUMO menuju pita konduksi
TiO2.
CT_Metoksi
CT_NC1
EHOMO= -6,310 eV
EHOMO= -5,870 eV
ELUMO= -1,889 Ev
ELUMO= -1,819 eV
Gambar 4 8 (Atas) HOMO, (tengah) penggambaran DCT (bawah) LUMO
dari senyawa CT_Metoksi (kiri) dan CT_NC1 (kanan)
48
Gambar 4 9 Diagram energi CT_Metoksi dan CT_NC1
Hasil perhitungan tingkat energi orbital molekul
ditampilkan pada Gambar 4.9. Dari gambar tersebut
memberikan informasi bahwa posisi energi LUMO baik
CT_Metoksi maupun CT_NC1 berada diatas pita konduksi
TiO2 yang menunjukkan bahwa kedua zatwarna memenuhi
kriteria injeksi muatan yang efisien menuju pita konduksi
TiO2. Energi HOMO keduanya juga terletak dibawah energi
potensial reduksi dari elektrolit I- dengan begitu menjamin
terjadinya regenerasi zat warna. Tingkat energi LUMO dari
CT_NC1 terletak sedikit diatas energi LUMO CT_Metoksi
sehingga memberikan gaya dorong yang lebih tinggi untuk
injeksi elektron menuju permukaan oksida.
49
Berdasarkan analisis tersebut dapat disimpulkan secara
keseluruhan bahwa dengan penambahan gugus pendorong
elektron berupa alkoksi (-OR) dan amina (-NHR) dapat
meningkatkan sifat elektronik dari zat warna. Hal ini dilihat
berdasarkan 3 parameter. Pertama, dari hasil spektra absorpsi
UV-Vis menunjukkan peningkatan panjang gelombang akibat
adanya penambahan alkoksi dan amina terhadap zat warna
CT2. Prosentase kontribusi transisi elektronik juga meningkat.
Kedua, berdasarkan jumlah muatan yang ditransfer qCT
meningkat dengan adanya penambahan alkosi dan amina pada
CT2. Dan yang ketiga, berdasarkan tingkat energi LUMO
CT_Metoksi dan CT_NC1 memiliki energi yang lebih positif
dibandingkan dengan CT2 yang mengindikasikan bahwa pada
CT_Metoksi dan CT_NC1 memiliki gaya dorong yang lebih
besar untuk melakukan injeksi muatan dari HOMO ke pita
konduksi TiO2. Hal ini sesuai dengan penelitian yang
dilakukan oleh Han dan kawan-kawan (2011). Mereka
melaporkan bahwa penambahan gugus sustituen alkoksi pada
fenil meningkatkan kemampuan donor elektron pada spacer,
yang mana menguntungkan untuk penyerapan cahaya, seperti
meningkatkan koefisien kepunahan molar dan spektra
absorpsi yang lebih luas (Han, dkk., 2011).
Dari ketiga parameter tersebut, CT_NC1 menunjukkan
hasil yang lebih baik dibandingkan dengan CT_Metoksi. Hal
ini diduga bahwa gugus amina memiliki pengaruh donor
elektron yang lebih kuat terhadap carbazole sehingga
berpengaruh pula terhadap transfer muatan yang lebih baik
dibandingkan dengan CT_Metoksi.
50
4.5. Pengaruh Perpanjangan Rantai Karbon pada
Pendorong Elektron terhadap Sifat Elektronik Zat
Warna
Salah satu komponen penyusun DSSC adalah elektrolit.
I3 /I adalah pasangan redoks paling popular yang digunakan
dalam DSSC sejak hasil rintisan oleh O’Regan dan Gratzel
pada tahun 1991 (O'Regan & Grätzel, 1991). Perkembangan
pada penelitian DSSC menunjukkan bahwa pasangan redoks
I3-/I- bukan merupakan elektrolit terbaik untuk DSSC. Hal ini
dikarenakan I3-/I- bersifat korosif terhadap logam yang
membuat pemilihan material untuk modul DSSC sangat
terbatas. Selain itu, I3-/I- juga menyerap cahaya pada daerah
panjang gelombang 350-450 nm dan nilai potensial
reduksinya cukup rendah dan membatasi tegangan rangkaian
terbuka pada DSSC (Fan, dkk., 2013; Feldt, dkk., 2011;
Hamann, 2012; Klahr & Hamann, 2009). Pasangan redoks
kobalt (II)/(III) merupakan salah satu kandidat utama untuk
menggantikan I3-/I-. Namun, kompleks kobalt (II/III) memiliki
struktur yang bulki yang menghalangi transport masa melalui
fotoelektroda dan memiliki kinetika rekombinasi yang cukup
cepat dengan elektron dari pita konduksi TiO2 (Hamann,
2012). Oleh karena itu dengan menggunakan zat warna yang
memiliki rantai alkil yang panjang atau gugus alkoksi yang
bulki dapat menghalangi rekombinasi pada semikonduktor
dan antarmuka elektrolit (Bai, dkk., 2011; Feldt, dkk., 2010;
Feldt, dkk., 2011).
- -
Oleh karena itu terhadap struktur sebelumnya dilakukan
perpanjangan rantai karbon pada gugus pendorong (-OC5H11
dan –NH(C5H11)). Sebelum dilakukan perhitungan, dilakukan
51
optimasi geometri terlebih dahulu menggunakan basis set 631G*. Struktur teroptimasi ditampilkan pada Gambar 4.10.
Gambar 4 10 Struktur teroptimasi CT_Pentoksi (atas) dan CT_NC5
(bawah)
Hasil perhitungan TDDFT titik tunggal berupa spektra
absorpsi UV-Vis ditampilkan pada Gambar 4.11 dan karakter
transisi elektronik ditampilkan pada Tabel 4.6.
Berdasarkan
hasil
spektra
absorpsi
UV-Vis
menunjukkan bahwa CT_NC5 mengalami pergeseran merah
sebesar 28 nm dibandingkan dengan CT_Pentoksi. Karakter
52
transisi elektronik yang ditampilkan pada Tabel 4.6
memberikan informasi bahwa kontribusi transisi elektronik
yang dominan adalah transisi dari HOMO  LUMO.
Berdasarkan prosentase kontribusi HOMO  LUMO
CT_NC5 lebih tinggi dari CT_Pentoksi (77% untuk CT_NC5
dan 66% untuk CT_Pentoksi). Hasil ini sejalan dengan
pemaparan pada sub bab sebelumnya dimana –NHR
memberikan pengaruh pendorong elektron yang lebih kuat
dibandingkan dengan –OR. Hasil ini juga menunjukkan
bahwa perpanjangan rantai karbon pada gugus pendorong
tidak mengubah karakteristik dari transisi elektronik zat
warna.
Gambar 4 11 Spektra absorpsi UV-Vis zat warna CT_Pentoksi
dan CT_NC5
53
Tabel 4 6 Spektra TD-DFT terhitung untuk CT_Pentoksi dan
CT_NC5 dengan kekuatan osilator, f>0,1
Panjang
gelomba
ng, λ
(nm)
Kekuatan
osilator, f
400,34
1,2156
334,45
0,3836
283,90
0,1815
260,23
0,2194
428,08
0,9302
346,64
0,7231
299,36
275,70
0,1576
0,1735
Kontribusi utama
CT_Pentoksi
HOMO  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO  LUMO
HOMO  LUMO+1
HOMO  LUMO
HOMO-1 
LUMO+2
CT_NC5
HOMO  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO-2  LUMO
HOMO  LUMO
HOMO  LUMO+1
HOMO-1 
LUMO+2
HOMO  LUMO+3
Prosentase
kontribusi
utama
66%
24%
68%
21%
69%
12%
78%
77%
13%
77%
14%
73%
63%
20%
Perbandingan spektra absorpsi UV-Vis antara
CT_Metoksi dengan CT_Pentoksi dan CT_NC1 dan CT_NC5
ditampilkan pada Gambar 4.12. Dapat dilihat dari gambar
tersebut bahwa antara CT_Metoksi dan CT_Pentoksi tidak
menunjukkan pergeseran panjang gelombang yang signifikan,
begitu pula dengan CT_NC1 dengan CT_NC5.Dari spektra
54
absorpsi UV-Vis terlihat sedikit peningkatan intensitas dengan
adanya perpanjangan rantai karbon pada gugus pendorong.
Gambar 4 12 Spectra perbandingan CT_Metoksi-CT_Pentoksi (atas)
dan CT_NC1-CT_NC5 (bawah)
55
Hasil perhitungan DCT dan qCT yang ditampilkan pada
Tabel 4.7 menunjukkan hasil yang sesesuai dengan yang
diuraikan pada sub bab sebelumnya dimana CT_NC5
memiliki nilai qCT yang lebih besar dibandingkan dengan
CT_Pentoksi. Hasil ini menunjukkan nilai qCT antara
CT_Metoksi dan CT_Pentoksi tidak berbeda jauh tetapi
mengalami peningkatan yakni 0,723 menjadi 0,783. Begitu
pula dengan CT_NC1 dan CT_NC5 mengalami peningkatan
dari 0,969 menjadi 1,004. Hal ini diduga dikarenakan
perpanjangan rantai karbon yang terdapat pada gugus
pendorong. Perpanjangan rantai karbon juga mengakibatkan
peningkatan pada jarak transfer muatan untuk kedua zat warna
tersebut. Pada CT_Pentoksi DCT meningkat dari 3,9583
menjadi 6,313, sementara pada CT_NC5 meningkat dari
1,786 menjadi 4,396. Dengan demikian, dengan semakin
panjangnya rantai karbon pada gugu pendorong maka
mendorong pemisahan muatan yang lebih baik.
Penggambaran jarak transfer muatan ditampilkan pada
Gambar 4.13.
Tabel 4 7 Nilai DCT dan qCT senyawa CT_Pentoksi dan CT_NC5
Senyawa
CT_Pentoksi
CT_NC5
DCT (Å)
6,313
4,396
qCT (e)
0,783
1,004
Lokasi orbital HOMO dan LUMO zat warna
CT_Pentoksi dan CT_NC5 tidak berbeda dari CT_Metoksi
dan CT_NC1. Orbital HOMO utamanya terletak pada gugus
carbazole sementara LUMO mendekati sisi pengikat
karboksilat dengan permukaan semikonduktor TiO2 yang
56
mengindikasikan bahwa elektron akan berpindah dengan
mudah dari LUMO ke pita konduksi TiO2.
CT_Pentoksi
EHOMO= -6,259 eV
ELUMO= -1,875 eV
CT_NC5
EHOMO= -5,831 eV
ELUMO= -1,810 eV
Gambar 4 13 (Atas) HOMO, (tengah) penggambaran DCT (bawah) LUMO
dari senyawa CT_Pentoksi (kiri) dan CT_NC5 (kanan)
57
Gambar 4 14 Diagram energi CT_Pentoksi dan CT_NC5
Gambar 4.14 menunjukkan tingkat energi HOMO dan
LUMO zat warna CT_Pentoksi dan CT_NC5 bersama dengan
energi pita konduksi TiO2 serta energi potensial reduksi
elektrolit I3-/I-. Energi LUMO CT_Pentoksi dan CT_NC5
terletak diatas pita konduksi TiO2 dan energi HOMO
keduanya terletak dibawah potensial redoks dari elektrolit I3/I-. Posisi ini menjamin gaya dorong yang cukup untuk
mengalirnya elektron dalam sistem DSSC. Jika dilihat lebih
detail, energi LUMO CT_NC5 lebih positif dibandingkan
dengan CT_Pentoksi yang mana menunjukkan CT_NC5
memiliki gaya dorong yang lebih besar untuk injeksi muatan
dari LUMO ke pita konduksi TiO2.
Perbandingan antara CT_Metoksi dengan CT_Pentoksi
dan CT_NC1 dengan CT_NC5 juga dilakukan untuk melihat
58
pengaruh perpanjangan rantai karbon yang terikat pada gugus
pendorong terhadap tingakt energi HOMO dan LUMO. Hasil
perbandingan menunjukkan bahwa semakin panjang rantai
karbon menyebabkan nilai energi HOMO dan LUMO
semakin positif. Hal ini berlaku baik untuk CT_MetoksiCT_Pentoksi dan CT_NC1-CT_NC5.
Berdasarkan analisis diatas dapat disimpulkan bahwa
perpanjangan rantai karbon pada gugus pendorong dapat
meningkatkan sifat elektronik dari zat warna. Hal ini
ditunjukkan berdasarkan 3 parameter. Pertama, berdasarkan
spektra absorpsi UV-Vis terjadi pergeseran merah dan
peningkatan kontribusi prosentase kontribusi transisi
elektronik dari HOMO ke LUMO. Kedua, nilai qCT dan DCT
meningkat seiring dengan bertambah panjangnya rantai
karbon pada gugus pendorong. Dan yang terakhir, energi
LUMO pada CT_Pentoksi dan CT_NC5 menunjukkan nilai
yang lebih positif dibandingkan dengan CT_Metoksi dan
CT_NC1 yang mengindikasikan gaya dorong yang lebih besar
untuk injeksi muatan dari LUMO ke pita konduksi TiO2.
Ditambah lagi, struktur molekul yang besar akibat
perpanjangan rantai karbon baik untuk aplikasi DSSC dengan
elektrolit berbasis kobalt.
Kesimpulan ini juga didukung dengan hasil penelitian
yang dilaporkan oleh Yu dan kawan-kawan (2011). Pada
penelitian yang mereka lakukan, perpanjangan rantai
dilakukan pada gugus alkoksi yang tersubstitusi pada zat
warna trifenilamin. Hasil yang diperoleh menunjukkan
dengan semakin panjang rantai alkil pada substituen
didapatkan efisiensi yang meningkat pula. Berdasarkan
59
spektra absorpsi UV-Vis juga terlihat bahwa spektra semakin
luas dengan rantai alkil yang lebih panjang. Mereka
mengasumsikan bahwa alasan semakin luasnya spektra
absorpsi UV-Vis seiring dengan semakin panjang rantai
karbon, karena rantai karbon mungkin berperan sebagai
material absorber yang lebih baik untuk cahaya yang datang
(Yu, dkk., 2011).
60
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang dilakukan, modifikasi
terhadap senyawa CT2 dengan menambahkan gugus alkoksi(OCH3) dan amina (-NH(CH3)) secara umum menunjukkan
hasil yang baik. Hasil yang lebih baik juga didapatkan dengan
melakukan perpanjangan rantai karbon. Berdasarkan spektra
absorpsi UV-Vis semua variasi modifikasi menunjukkan
pergeseran merah. Kontribusi transisi elektronik untuk semua
molekul didominasi oleh orbital HOMO  LUMO dan
menunjukkan peningkatan dengan penambahan gugus alkoksi
dan amina. Kontribusi HOMO  LUMO pada CT2 = 52%,
CT_Metoksi = 64%, CT_NC1 = 77%, CT_Pentoksi = 66%
dan CT_NC5 = 77%. Rapatan LUMO pada semua molekul
menunjukkan posisi yang dekat dengan gugus ikat TiO2
(anchoring site). Pemisahan muatan juga menunjukkan hasil
yang baik dengan nilai qCT yang meningkat. Pada CT2 =
0,402; CT_Metoksi = 0,723; CT_Pentoksi = 0,783; CN_NC1
= 0,969 dan CT_NC5 = 1,004. Dan berdasarkan energi
LUMO dengan penambahan gugus tersebut didapatkan energi
yang lebih besar. Energi LUMO pada CT2 = -1,902 eV;
CT_Metoksi = -1,889 eV; CT_Pentoksi = -1,875 eV;
CT_NC1 = -1,819 eV dan CT_NC5 = -1,810 eV. Secara
keseluruhan CT_NC5 menunjukkan hasil yang paling baik.
5.2. Saran
1. Bagi peneliti dalam bidang komputasi, dapat dilakukan
penelitian sifat elektronik untuk guus pendorong yang lain,
61
atau dengan memperpanjang ikatan π pada senyawa
golongan carbazole ini. Dapat juga dilakukan simulasi
terikatnya zat warna pada permukaan semikonduktor TiO2.
2. Bagi peneliti dalam bidang kimia organik, dapat dilakukan
sintesis terhadap senyawa yang telah kami teliti secara
komputasi untuk diaplikasikan dalam DSSC sehingga
dapat diketahui hasil secara percobaan.
62
DAFTAR PUSTAKA
Al-Alwani, M. A., Mohamad, A. B., Ludin, N. A., Kadhum,
A. A., & Sopian, K. (2016). Dye-sensitized solar cells:
development, structure, operationprinciples, electron kinetics,
characterisation,
synthesis
materials
and
natural
photosensitiser. Renew. Sustain. Energy Rev. , 183-213.
Baerends, E. J., & Gritsenko, O. V. (1997). A Quantum
Chemical View of Density Functional Theory. J. Phys. Chem.
A 101 , 5383-5403.
Bai, Y., Zhang, J., Zhou, D., Wang, Y., Zhang, M., & Wang,
P. (2011). Engineering organic sensitizers for iodine-free dyesensitized solar cells: red-shifted current response
concomitant with attenuated charge recombination. J. Am.
Chem. Soc. 133 , 11442-11445.
Becke, A. D. (1993). A new mixing of Hartree–Fock and local
density‐functional theories. J. Chem. Phys. 98 , 1372-1377.
Becke, A. D. (1993a). Density‐functional thermochemistry.
III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 98 , 5648–
5652.
Bisquert, J., & Vikhrenko, V. S. (2004). Interpretation of the
time constants measured by kinetic techniques in
nanostructured semiconductor electrodes and dye-sensitized
solarcells. J. Phys. Chem. B. 108 , 2313-2322.
Born, M., & Oppenheimer, R. (1927). Zur quantentheorie der
molekeln. Ann. Phys. 389 , 457-484.
63
Boschloo, G., & Hagfeldt, A. (2009). Characteristics of the
iodide/triiodide redox mediator in dye-sensitized solar cells.
Acc. Chem. Res. 42 , 1819-1826.
Burschka, J., Pellet, N., Moon, S. J., Humphry-Baker, R.,
Gao, P., Nazeeruddin, M. K., et al. (2013). Sequential
deposition as a route to high-performance perovskitesensitized solar cells. Nature 499 , 316-319.
Casida, M. E. (2009). Time-dependent density-functional
theory for molecules and molecular solids. J. Mol. Struct.
THEOCHEM, Time-dependent density-functional theory for
molecules and molecular solids 914 , 3–18.
Chen, X., & Mao, S. S. (2007). Titanium dioxide
nanomaterials: synthesis, properties, modification, and
applications. Che. Rev. 107 , 2891-2959.
Chung, I., Lee, B., He, J., Chang, R. P., & Kanatzidis, M. G.
(2012). All-solid-state dye-sensitized solar cells with high
efficiency. Natture Letter , 486-489.
Devabhaktuni, V., Alam, M., Shekara Sreenadh Reddy
Depuru, S., II, G., Nims, R. C., & Near, C. (2013). Solar
Energy: Trends and enabling technologies. Renew. Sustain.
Energy Rev 19 , 555-564.
Dewan Energi Nasional (DEN). (2014). Outlook Energi
Indonesia 2014.
Ditchfield, R., Hehre, W. J., & Pople, J. A. (1971). SelfConsistent Molecular Orbital Methods. 9. Extended Gaussian-
64
type basis for molecular-orbital studies of organic molecules.
J. Chem. Phys. 54 , 724.
Dreuw, A., & Head-Gordon, M. (2005). Single-Reference ab
Initio Methods for the Calculation of Excited States of Large
Molecules. Chem. Rev. 105 , 4009–4037.
Facci, T., & Huguenin, F. (2010). Spectroelectrochemical
properties and lithium ion storage in self-assembled
nanocomposites from TiO2. Langmuir 26 , 4489-4496.
Fan, J., Hao, Y., Cabot, A., Johansson, E. M., Boschloo, G., &
Hagfeldt, A. (2013). Cobalt(II/III) redox electrolyte in ZnO
nanowire-based dye-sensitized solar cells. ACS Appl. Mater.
Interfaces 5 , 1902-1906.
Feldt, S. M., Gibson, E. A., Gabrielsson, E., Sun, L.,
Boschloo, G., & Hagfeldt, A. (2010). Design of organic dyes
and cobalt polypyridine redox mediators for high-efficiency
sye-sensitized solar cells. J. Am. Chem. Soc. 132 , 1671416724.
Feldt, S. M., Wang, G., Boschloo, G., & Hagfeldt, A. (2011).
Effects of driving forces for recombination and regeneration
on the phitivoltaic performance of dye-sensitized solar cells
using cobalt polypyridin redox couples. J. Phys. Chem. C 115
, 21500-21507.
Fenoglio, I., Greco, G., Livraghi, S., & Fubini, B. (2009).
Non-UV-induced radical reaction at the surface of TiO2
nanoparticles that may trigger toxic responses. Chem. - Eur. J.
15 , 4614-4621.
65
Fisher, A. C., Peter, L. M., Ponomarev, E. A., Walker, A. B.,
& Wijayantha, K. G. (2000). Intensity dependence of the back
reaction and transport of electrons in sye-sensitized
nanocrystalline TiO2 solar cells. J. Phys. Chem. B 104 , 949958.
Fitri, A., Benjelloun, A. T., Benzakour, M., Mcharfi, M.,
Hamidi, M., & Bouachrine, M. (2014). Theoritical design of
thiazole-based organic dyes with dofferent electron donors for
dye-sensitized solar cells. Spectrochim. Acta , 232-238.
Fujishima, A., Zhang, X., & Tryk, D. A. (2008). TiO2
photocatalysis and related surface phenomena. Surf. Sci. Rep.
63 , 515-582.
Goncalves, L. M., Bermudez, V., Ribeiro, H. A., & Mendes,
A. M. (2008). Dye-sensitized solar cells: A safe bet for the
future. Energy Environ. Sci. 1 , 655-667.
Gong, J., Liang, J., & Sumathy, K. (2012). Review on dyesensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and
novel materials. Renew. Sustain. Energy Rev. 16 , 5848-5860.
Grätzel, M. (2004). Conversion of sunlight to electric
powerby nanocrystalline dye-sensitized solar cells. Journal of
Photochemistry and Photobiology , 3-14.
Grätzel, M. (2003). Review: Dye-sensitized solar cells.
Journal of Photochemistry and Photobiology C:
Photochemistry , 145–153.
Gratzel, M. (2005). Solar energy conversion by dye-sensitized
photovoltaic cells. Inorg. Chem. , 6841-6851.
66
Gross, E. K., & Maitra, N. P. (2012). Introduction to TDDFT
in Rubio, A. Fundamentals of Time-Dependent Density
Functional Theory. Berlin: Springer-Verlag.
Gross, E. K., Ullrich, C. A., & Gossman, U. J. (1995). Density
functional theory of time-dependent systems, in: Gross, E. K.
U., Dreizler, R. M. (Eds.), density functional theory, NATO
ASI Series. Springer US.
Guo, F., He, J., Qu, S., Li, J., Zhang, Q., Wu, W., et al.
(2013). Structure-property relationship of different electron
donors: new organic sensitizers based on bithiazole moiety for
high efficiency dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 3 , 1590015908.
Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., & Petterson, H.
(2010). Dye-sensitized solar cells. Chem. Rev. 110 , 65956663.
Hamann, T. W. (2012). The end of iodide? Cobalt complex
redox shuttles in DSSC. Dalton Trans. 41 , 3111.
Han, H., Liang, M., Tang, K., Cheng, X., Zong, X., Sun, Z., et
al. (2011). Molecular design of triarylamine dyes
incorporating phenylene spacer and the influence of alkoxy
substituent on the performance of dye-sensitized solar cells. J.
Photochem. and Photobio. A: Chemistry 225 , 8-16.
Hashmi, S. G., Moehl, T., Halme, J., Ma, Y., Saukkonen, T.,
Yella, A., et al. (2014). A durable metal free SWCNT/PET
polymer foil based counter electrode for flexible dye
sensitized solar cells. J. Mater. Chem. A.
67
Hay, P. J., & Wadt, W. R. (1985). Ab initio effective core
potentials for molecular calculation. Potentials for the
transition metal atom Sx to Hg. J. Chem. Phys. 82 , 270-283.
Hohenberg, P., & Kohn, W. (1964). Inhomogeneous electron
gas. Phys. Rev. 136 , B864-B871.
Hosni, M. (2014). Optimisation du procédé polyol pour la
synthése de nanoparticules d'Oxyde de zinc: Mise à l'échelle
du procédé et applications photovoltaïques. Doctoral thesis
Universite Paris 13 - Sorbonne paris cité-institut galelée and
Universite de tunis el manar-Faculté des sciences de tunis.
Chapter IV , 181-234.
International Energy Agency (IEA). (2013). World Energy
Outlook 2013.
Iqbal, Z., Wu, W. Q., Kuang, D. B., Wang, L., Meier, H., &
Cao, D. (2013). Phenothiazine-based dyes with bilateral
extension of π-conjugation for efficient dye-sensitized solar
cells. Dyes Pigm. , 722-731.
Jacobson, M. Z., & Delucchi, M. A. (2011). Providing all
golbal energy with wind, water and solar power, Part I:
Technologies, energy resources, quantities and areas of
infrastructures, and materials. Energy Policy 39 , 1154-1169.
Jacquemin, D., Le Bahers, T., Adamo, C., & Ciofini, I.
(2012). What is the "best" atomic charge model to describe
through-space charge-transfer excitation? Phys. Chem. Chem.
Phys. , 5383-5388.
68
Jena, A., Mohanty, S. P., Kumar, P., Naduvath, J., Gondane,
V., Lekha, P., et al. (2012). Dye sensitized solar cells: A
review. Trans. Indian Ceram. Soc. 71 , 1-16.
Jungsuttiwong, S., Tarsang, R., Sudyoadsuk, T., Promarak,
V., Khongpracha, P., & Namuangruk, S. (2013). Theoritical
study on novel double donor-based dyes used in high efficient
dye-sensitized solar cellss: The application of TDDFT study
to the elctron injection process. Org. Electron. 14 , 711-722.
Kanaparthi, R. K., Kandhahdi, J., & Giribabu, L. (2012).
Metal-free organic dyes for dye-sensitized solar cells: recent
advances. Tetahedron , 8383-8393.
Karunagaran, B., Uthirakumar, P., Chung, S. J., Velumani, S.,
& Suh, E. K. (2007). TiO2 thin film gas sensor for monitoring
ammonia. Mater. Charact., XIV International Materials
Research Congress: Symposium 7 XIV International
Materials Research Congress 58 , 680-684.
Khare, P., Sonane, M., Pandey, R., Ali, S., Gupta, K. C., &
Satish, A. (2011). Adverse effects of TiO2 and ZnO
nanoparticles in soil Nematode, Caenorhabditis elegans. J.
Biomed. Nanotechnol. 7 , 116-117.
Kim, H. S., Lee, C. R., Im, J. H., Lee, K. B., Moehl, T.,
Marchioro, A., et al. (2012). Lead iodide perovskite sensitized
all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with
efficiency exceeding 9%. Sci. Rep. , 2.
Kiymaz, D., Sezgin, M., Sefer, E., Zafer, C., & Koyuncu, S.
(2016). Carbazole based D-A-p-A chromophores for dyesensitized solar cells: Effect of the side alkyl chain length on
69
device performance. International Journal of Hydrogen
energy (In Press) , 1-7.
Klahr, B. M., & Hamann, T. W. (2009). Performance
enhancement and limitations of cobalt bipyridyl redox shuttles
in dye-sensitized solar cells. J. Phys. Chem. C 113 , 1404014045.
Koch, W., & Holthausen, M. C. (2000). chemist’s guide to
density functional theory. Wiley-VCH.
Kohn, W., & Sham, L. J. (1965). Self-consistent equations
including wxchange and correlation effects . Phys. Rev. 140 ,
A1133-A1138.
Koumara, N., Wang, Z. S., Mori, S., Miyashita, M., Suzuki,
E., & Hara, K. (2006). Alkyl-functionalized organic dyes for
efficient molecular photovoltaics. J. Am. Chem. Soc , 128.
Kozeij, D., Fischer, F., Kränzlin, N., Caseri, W. R., &
Niederberger, M. (2009). Nanoaqueous TiO2 nanoparticle
synthesis: a versatile basis for the fabrication of selfsupporting, tranparent, and UV-absorbing composite films.
ACS Appl. Mater. Interfaces 1 , 1097-1104.
Kumar, G. S., Srinivas, K., Shanigaram, B., Bharath, D.,
Singh, S. P., Bhanuprakash, K., et al. (2014). Metal-free
organic dyes containing thiadiazole unit for dye-sensitized
solar cells: a combined experimental and theoritical study.
RSC Adv. 4 , 13172-13181.
Kusumawati, Y. (2015). Oxide and composite electron
transport layers for efficient dye-sensitized. France.
70
Lancelle-Beltran, E., Prené, P., Boscher, C., Belleville, P.,
Buvat, P., Lambert, S., et al. (2008). Solid-state
organic/inorganic
hybrid
solar
cells
based
on
poly(octylthiophene) and dye-sensitized nanobrookite and
nanoanatase TiO2 electrodes. Eur. J. Inor. Chem , 903-910.
Le Bahers, T., Labat, F., Pauporté, T., Lainé, P. P., & Ciofini,
I. (2011). Theoritical procedure for optimizing dye-sensitized
solar cells: from electronic structure to photovoltaic
efficiency. J. Am. Chem. Soc. 133 , 8005-8013.
Le Bahers, T., Pauporté, T., Scalmani, G., Adamo, C., &
Ciofini, I. (2009). A TD-DFT investigation of ground and
excited state properties in indoline dyes used for dyesensitized solar cells. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 , 11276–
11284.
Lee, C., Yang, W., & Parr, R. G. (1988). Development of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of
the electron density. functional of the electron density. Phys.
Rev. B 37 , 785–789.
Li, P. P., Chen, Y., Zhu, J., Feng, M., Zhuang, X., & Lin, Y.
(2011).
Charm-bracelet-type
poly(N-vinylcarbazole)
functionalized with reduced graphene oxide for broadband
optical limiting. Chem. Eur. J. 17 , 780-785.
Liang, Y., Peng, B., Liang, J., Tao, Z., & Chen, J. (2010).
Triphenylamine-based dyes bearing functionalized 3,4propylenedioxythiophene linkers with enhanced performance
for dye-sensitized solar cells. Org. Lett. 12 , 1204-1207.
71
Liao, Y., Que, W., Jia, Q., He, Y., Zhang, J., & Zhong, P.
(2012). Controllable synthesis of brookite/anatase/rutile TiO2
nanocomposites and single-crystalline rutile nanorods array. J.
Mater. Chem. 22 , 7937-7944.
Linsebigler, A. L., Lu, G., & Yates, J. T. (1995).
Photocatalysis on TiO2 surfaces: principles, mechanisms, and
selected results. Chem. Rev. 95 , 735-758.
Liu, D., & Kelly, T. L. (2014). Perovskite solar cell with a
planar heterojunction structure prepared using rootemperature solution processing techniques. Nat. Photonics 8 ,
133-138.
Liu, J., Yang, X. D., Islsm, A., Numata, Y., Zhang, S. F., &
Salim, N. T. (2013). Effiicient metal-free sensitizers bearing
circle chain embracing phi-spacer for dye-sensitized solar
cells. J. Mater. Chem. A 1 , 10889-10897.
Magne, C. (2012). Optimisation de Couches D'oxyde Nanostructurees pour Applications Aux Cellules Solaires A
Colorant. Doctoral Thesis Universite Pierre et Marie Currie ,
21.
Magne, C., Cassaigon, S., Lancel, G., & Pauporté, T. (2011).
Brookite TiO2 nanoparticle films for dye-sensitized solar
cells. Chem. Phys. Chem. 12 , 2461-2467.
Manoharan, S., & Anandan, S. (2014). Cyanovinyl substituted
benzimidazole based (D–π–A) organic dyes for fabrication of
dye sensitized solar cells. Dyes Pigments 105 , 223-231.
72
Marques, M. A., & Gross, E. K. (2004). Time-Dependent
Density Functional Theory. Annu. Rev. Phys. Chem. 55 , 427–
455.
Mathew, S., Yella, A., Gao, P., Humphry-Baker, R., Curchod,
B. F., Ashari-Astani, N., et al. (2014). Dye-senstized solar
cells with 13% efficiency achieved through the molecular
engineering of porphyrin sensitizers. Nat. Chem. , 242-247.
Mishra, A., Fischer, M., & Bauerle, P. (2009). Metal-free
organic dyes for dye-sensitized solar cells: From structure–
property relationships to design rules. Angew. Chem. Int. Ed. ,
2474-2499.
Murakami, T. N., Koumura, N., Kimura, M., & Mori, S.
(2014). Structural effect of donor in organic dye on
recombination in dye-sensitized solar cells with cobalt
complex electrolyte. Langmuir 30 , 2274-2279.
Nazeeruddin, M. K., Péchy, P., Renouard, T., Zakeeruddin, S.
M., Humphry-Baker, R., Comte, P., et al. (2001). Engineering
of efficient panchromatic sensitizer for nanocrystalline TiO2based solar cells. J. Am. Chem. Soc , 1613-1624.
Nazeeruddin, M. K., Zakeeruddin, S. M., Humphry, B. R.,
Jirousek, M., Liska, P., & Vlachopoulus, N. (1999). Acid-base
equilibria
of
(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic
acid)ruthenium(II) complexes and the effect of protonation on
charge transfer sensitization of nanocrystalline titania. Inorg.
Chem. , 6298-6305.
Ni, M., Leung, M. K., Leung, D. Y., & Sumathy, K. (2007). A
review and recent developments in photocatalytic water73
splitting using for hydrogen production. Renew. Sustain.
Energy Rev. 11 , 401-425.
Nussbaumer, R. J., Caseri, W. R., Smith, P., & Tervoort, T.
(2003). Polymer-TiO2 nanocomposites: a route towards
visually transparent broadband UV filters and high refractive
index materials. Macromol. Mater. Eng. 288 , 44-49.
Omar, A., & Abdullah, H. (2014). Eelctron transport analysis
in zinc oxide-based dye-sensitized solar cells: a review.
Renew. Sustain. Energy Rev. 31 , 149-157.
O'Regan, B., & Grätzel, M. (1991). A low-cost, highefficiency solar cell based on dye-sensitized collodial TiO2
films. Natyre 353 , 737-740.
Parkin, I. P., & Palgrave, R. G. (2005). Self-cleaning coatings.
J. Mater. Chem. 15 , 1689-1695.
Pascoe, A. R., Bourgeois, L., Duffy, N. W., Xiang, W., &
Cheng, Y. B. (2013). Surface state recombination and
apssivation in nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cells.
J. Phys. Chem. C 117 , 25118-25126.
Pazoki, M., Taghavinia, N., Hagfeldt, A., & Boschloo, G.
(2014). Mesoporoues TiO2 microbead electrodes for cobaltmediator-based dye-sensitized solar cells. J. Phys. Chem. C
118 , 16472-16478.
Quintana, M., Edvinsson, T., Hagfeldt, A., & Boschloo, G.
(2007). Comparison of dye-sensotozed ZnO and TiO2 solar
cells: studies of charge transport and carrier lifetime. J. Phys.
Chem. C 111 , 1035-1041.
74
Reyes-Coronado, D., Rodriguez-Gattamo, G., EspinosaPesqueira, M. E., Cab, C., Coss, R. d., & Oskam, G. (2008).
Phase-pure TiO2 nanoparticles: anatase, brookite and rutile.
Nanotechnology 19 , 145605.
Roy-Mayhew, J. D., Bozym, D. J., Punckt, C., & Aksay, I. A.
(2010). Functionalized graphene as a catalytic counter
electrode in dye-sensitized solar cells. ACS Nano 4 , 62036211.
Runge, E., & Gross, E. K. (1984). Density-Functional Theory
for Time-Dependent Systems. Phys. Rev. Lett. 52 , 997–1000.
Schrödinger, E. (1926). An undulatory theory of the
mechanism of atoms and moleculs. Phys. Rev. 28 , 10491070.
Shafiee, S., & Topal, E. (2009). When will fossil fuel reserves
be diminished? Energy Policy 37 , 181-189.
Sharma, A. K. (1996). Semiconductor Electronics. New Age
International , 6-7.
Shi, J., Chai, Z., Zhong, C., Wu, W., Hua, J., & Dong, Y.
(2012). New efficient dyes containing tert-butyl in donor for
dye-sensitized solar cells. Dyes Pigm, , 244-251.
Sima, C., Grigoriu, C., & Antohe, S. (2010). Comparison of
the dye-sensitized solar cells performances based on
transparent conductive ITO and FTO. Thin Solid Films,
Special Section: Romanian Conference on Anvanced
Materials 2009 , 595-597.
75
Smestad, G. P., & Grätzel, M. (1998). Demonstrating electron
transfer and nanotechnology: A natural dye-sensitized
nanocrystalline energy converter. J. Chem. Educ. 75 , 752756.
Srinivas, K., Kumar, C. R., Reddy, M. A., Bhanuprakash, K.,
Rao, V. J., & Giribabu, L. (2011). D-π-A organic dyes with
carbazole as donor for dye-sensitized solar cells. Syn. Metals ,
96-105.
Steinberg, M. (1999). Fossil fuel decarbonization technology
for mitigatingglobal warming. Int. J. Hydrog.Energy 24 , 771777.
Su, C. Y., Yu, Q. Y., Liao, J. Y., Zhou, S. M., Shen, Y., &
Liu, J. M. (2011). Effect of hydrocarbon chain length of
disubstitued triphenylamine based organic dyes on dyesensitized solar cells. J. Phys. Chem. C , 22002-22008.
Tamilvan, V., Cho, N., Kim, C., Ko, J., & Hyun, M. H.
(2012). Influences of the electron donor groups on the
properties of thiophene-(N-aryl)pyrrole-thiophene-based
organic sensitizers. Synth. Met. 162 , 2155-2162.
Tang, J., Hua, J. L., Wu, W. J., Li, J., Jin, Z. G., & Long, Y.
T. (2010). New starburst sensitizer with carbazole antennas
for efficient and stable dye-sensitized solar cells. Energy
Environ. Sci. 3 , 1736-11745.
Thomas, A. G., & Syres, K. L. (2012). Adsorption of organic
molecules on rutile TiO2 and anatase TiO2 single crystal
surface. CheM. Soc. Rev. 41 , 4207-4217.
76
Timilsina, G. R., Kurdgelashvili, L., & Narbel, P. A. (2012).
Solar Energy: Markets, economics and policies. Renew.
Sustain. Energy Rev. 16 , 449-465.
Vosko, S. H., Wilk, L., & Nusair, M. (1980). Accurate spindependent electron liquid correlation energies for local spin
density calculations: a critical analysis. Can. J. Phys. 58, ,
1200–1211.
Wan, Z., Jia, C., Zhang, J., Duan, Y., Lin, Y., & Shi, Y.
(2012). Triphenylamine-based starburst dyes with carbazole
and phenothiazine antennas for dye-sensitized solar cells. J.
Power Sources 199 , 426-431.
Wang, D., Choi, D., Li, J., Yang, Z., Nie, Z., Kou, R., et al.
(2009). Self-assembled TiO2-Graphene hybrid nanostructures
for enhanced Li-ion insertion. ACS Nano 3 , 907-914.
Weerasinghe, H. C., Huang, F., & Cheng, Y. B. (2013).
Fabrication of flexible dye sensitized solar cells on plastic
substrates. Nano Energy , 174-189.
Wei, S., Lu, X., Shi, X., Deng, Z., Shao, Y., Zhao, L., et al.
(2014). Theoretical Insight into Organic Dyes Incorporating
Triphenylamine-Based Donors and Binary π-Conjugated
Bridges for Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Photoenergy ,
1-9.
Yanai, T., Tew, D. P., & Handy, N. C. (2004). A new hybrid
exchange-correlation functional using the Coulombattenuating methode (CAM-B3LYP). Chem. Phys. Lett. 393 ,
51-57.
77
Yella, A., Lee, H. W., Tsao, H. N., Yi, C., Chandiran, A. K.,
Nazeeruddin, M. K., et al. (2011). Porphyrin-sensitized solar
cells with Co (II/III)-based redox electrolyteexceed 12 percent
efficiency. Science 334 , 629-634.
Young, D. C. (2001). Computational Chemistry: A Practical
Guide for Applying Techniques to Real-World Problems. New
York: John Wiley & Sons, Inc.
Yu, Q. Y., Liao, J. Y., Zhou, S. M., Shen, Y., Liu, J. M., &
Kuang, D. B. (2011). Effect of hydrocarbon chainlength of
disubtituted triphenyl-amine-based organic dyes on dyesensitized solar cells. J. Phys. Chem. C , 115.
Yum, J. H., Baranoff, E., Kessler, F., Moehl, T., Ahmad, S.,
Bessho, T., et al. (2012). A cobalt complex redox shuttle for
dye-sensitized solar cells with high open-circuit potentials.
Nat. Commun. 3 , 631.
Zhang, Q., Dandeneau, C. S., Zhou, X., & Cao, G. (2009).
ZnO nanostructures for dye-sensitized solar cells. Adv. Mater.
21 , 4087-4108.
78
LAMPIRAN
A. Penjelasan Input File Gaussian
Contoh untuk zat molekul CB1
%nproc=4
#P GFINPUT IOP(6/7=3) CAM-B3LYP/6-31G* opt test
Kode untuk
perhitungan
optimasi geometri CB1_1  Judul
0 1  0 = total muatan; 1=multiplisitas
C
-5.33748
-2.45676
-0.56660
Koordinat
C
-5.71334
-1.15928
-0.21677
molekul
C
-6.34527
-3.40249
-0.75282
C
-7.08191
-0.79963
-0.07814
.....
Keterangan:
#P GFINPUT IOP(6/7=3)
: Kode untuk membuat
output
yang
dapat
divisualisasikan
dengan
beberapa software
CAM-B3LYP
: Tingkat teori yang
digunakan
dalam
perhitungan molekul
6-31G*
: Basis set yang digunakan
dalam perhitungan molekul
Opt test
: Kode instruksi untuk
perhitungan optimasi
79
B. Prosedur Perhitungan Transfer Muatan
Prosedur untuk perhitungan transfer muatan dari
keadaan dasar menuju keadaan tereksitasi diadaptasi dari
prosedur yang telah diimplementasikan oleh Jacquemin dan
kawan-kawan (Jacquemin, dkk., 2012). Prosedur ini
menggunakan model muatan atom sebagian (Partiallu Atomic
Charge/ PAC) untuk memperkirakan lokasi densitas elektron.
Tahap pertama, harus ditetapkan posisi atom molekul
yang memiliki transisi elektron (koordinat kartesian molekul).
Lalu dilakukan perhitungan perbedaan energi keadaan dasar
dan PAC tereksitasi (δqi).
δqi = qiES - qiGS
Hasil perhitungan tersebut kemudian dibedakan
menjadi 2 kategori yaitu berdasarkan peningkatan/penurunan
PAC.
qi+=
δqi, jika δqi >0
0, jika δqi <0
Dan
qi-=
δqi, jika δqi <0
0, jika δqi >0
Jumlah transfer muatan (qct) menjadi:
qCT =
80
=
Dua koorsinat sebagai posisi awal dan akhir transfer muatan
didefinisikan dengan:
r+= (x+, y+, z+) =
r-= (x-, y-, z-) =
Pemisahan muatan kemudian didefinisikan sebagai jarak dari
kedua titik ini:
DCT = |r+ - r-|
81
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
82
Biodata Penulis
Penulis bernama Annisa Tria Apriliani
yang dilahirkan di Mojokerto pada
tanggal 22 April 1996. Penulis
merupakan anak ketiga dari tiga
bersaudara. Penulis pernah menempuh
pendidikan di SDN Pohkecik I, SMPN 1
Puri, dan SMAN 1 Puri. Penulis
melanjutkan pendidikan tinggi di Jurusan Kimia Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Institut
Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) melalui jalur SNMPTN
pada tahun 2013 dan terdaftar sebagai mahasiswaKimia ITS
dengan NRP 1413100004. Penulis pernah melakukan kerja
praktik di PT Petrokimia Gresik. Selama menempuh
pendidikan di ITS, penulis aktif berorganisasi. Penulis pernah
menjabat sebagai staff Departemen Chemistry Week
Himpunan Mahasiswa Kimia (HIMKA) ITS periode
2014/2015 dan sekretaris Big Event Chemistry Week
Himpunan Mahasiswa Kimia (HIMKA) periode 2015/2016.
Penulis menyelesaikan pendidikannya di Jurusan Kimia
FMIPA ITS dengan mengambil tugas akhir yang berjudul
“Studi Komputasi Sifat Elektronik Senyawa Turunan
Carbazole sebagai Sensitiser pada Dye-Sensitized Solar Cell
(DSSC)” yang dibimbing oleh Dr. Yuly Kusumawati, M. Si.
Penulis dapat diajak berdiskusi mengenai tugas akhir maupun
topik lainnya dan dapat dihubungi melalui email
[email protected]
83
Download