Oriza sativa Glutinosa - HFI DIY

42
Sri Sumardiasih / Pengaruh suhu annealing dye titanium dioxide menggunakan ekstrak ketan hitam pada
dye sensitized solar cell (DSSC)
Pengaruh Suhu Annealing Dye Titanium Dioxide Menggunakan
Ekstrak Ketan Hitam (Oriza sativa Glutinosa) pada Dye Sensitized
Solar Cell (DSSC)
Sri Sumardiasih, Cari*, Agus Supriyanto, Wilfrida M. Obina
Universitas Sebelas Maret Surakarta, Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan, Surakarta 57126
* E-mail : [email protected]
Abstrak: Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan perangkat yang dapat mengubah sinar matahari menjadi energi
listrik. Fabrikasi DSSC berbentuk sandwich yang terdiri dari lapisan TiO 2 sebagai elektroda kerja, lapisan karbon
sebagai elektroda lawan, lapisan dye sebagai fotosensitizer, dan elektrolit sebagai media transfer elektron. Dalam
penelitian ini, elektroda kerja dilakukan dengan mencampurkan langsung dye dengan TiO 2 sehingga menghasilkan dye
titanium dioxide dengan memvariasikan suhu annealingnya untuk mengetahui pengaruh suhu annealing terhadap nilai
efisiensi DSSC. Dye yang digunakan adalah hasil ekstrak dari ketan hitam yang dicampur langsung dengan TiO 2
nanopartikel. Dye titanium dioxode dideposisi pada kaca Fluorine-doped Tin Oxide (FTO) dengan variasi suhu yaitu
60ºC, 90ºC, 120ºC, dan 150ºC. Absorbansi dari dye dan dye titanium dioxide dikarakterisasi menggunakan
Spektrofotometer UV-Visible dan diperoleh absorbansi maksimum untuk dye pada 435 nm dan dye titanium dioxide pada
400 nm. Untuk karakterisasi I-V dye titanium dioxide digunakan Keithley 2602A dan diperoleh efisiensi terbesar pada
suhu 120ºC yaitu 0,011%.
Kata kunci: DSSC, pencampuran langsung dye, ketan hitam, variasi suhu
Abstract: Dye-sensitized solar cell (DSSC) is a device that converts solar energy into electrical energy. The sandwich
structure of DSSC consist of titanium dioxide layer as a working electrode, carbon layer as a counter electrode, dye
layer as a photosenstizer, and electrolyte as an electron transfer media. In this work, we used natural dye extracted from
black rice anthocyanin that directly mixed with TiO2 with varying annealing temperature. This work aims to determine
the effect of annealing temperature on the DSSC efficiency. The dye titanium dioxide was coated on fluorine-doped tin
oxide (FTO) glass plate using spin coating method with annealing temperature variation 60ºC, 90ºC, 120ºC, and 150ºC.
The absorbance spectra of the dye and dye titanium dioxide were characterize by UV-Vis spectrometer and its maximum
absorption was measured at 435 nm for the dye and 400 nm for the dye titanium dioxide. The efficiency of the dye
titanium dioxide was determined from I-V characterization using Keithley 2602A and showed that the highest efficiency
was 0.011% at temperature 120ºC.
Keywords: DSSC, direct synthetic dye, black rice, varying annealing
I. PENDAHULUAN
Pesatnya pertumbuhan ekonomi di dunia menyebabkan
kebutuhan akan energi meningkat. Namun, ketersediaan
akan sumber energi tersebut khususnya minyak bumi, gas
bumi, dan batu bara semakin menipis. Hal ini karena
sumber energi tersebut merupakan energi yang tidak
dapat diperbaharui. Akibatnya banyak para ahli yang
melakukan penelitian guna menemukan energi alternatif
yang dapat diperbaharui sehingga dapat membantu
memenuhi kebutuhan energi manusia. Salah satu energi
alternatif yang banyak dikembangkan adalah dalam
bidang sel surya karena keberadaan energi matahari yang
melimpah.
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan sel surya
generasi ketiga yang dapat mengubah sinar matahari
menjadi energi listrik dengan prinsip fotoelektokimia
dengan memanfaatkan ekstraksi pewarnaan dari bahanbahan alam organik [1]. DSSC terdiri dari lapisan TiO2
sebagai elektroda kerja, lapisan platina atau karbon
sebagai elektroda lawan, dye sebagai fotosensitizer, dan
elektrolit sebagai media transfer elektron [2].
Prinsip kerja DSSC pada dasarnya berada dalam skala
molekular berupa reaksi dari transfer elekron. Proses
pertama berupa penyerapan foton oleh permukaan dye
sehingga terjadi eksitasi elektron pada dye yang
kemudian diinjeksikan ke pita konduksi TiO2. Dalam hal
ini TiO2 berperan sebagai akseptor elektron. Molekul dye
yang ditinggalkan kemudian dalam keadaan teroksidasi.
Selanjutnya elektron akan ditransfer ke elektroda lawan
yang mengandung lapisan platina atau lapisan karbon
melewati rangkaian luar. Elektrolit yang merupakan
media transfer elektron menghasilkan pasangan iodide
dan triodide sehingga dapat menghasilkan proses siklus
dalam sel. Ion triodide dengan bantuan molekul
karbon/platina sebagai katalis akan menangkap elektron
yang berasal dari rangkaian luar sehingga menyebabkan
penambahan ion iodide pada elektron. Ion iodide ini
menyediakan elektron pengganti untuk molekul dye
teroksidasi sehingga dye kembali ke keadaan semula [3].
Daya listrik yang dihasilkan oleh sel surya ketika
mendapat cahaya dihitung dari kemampuan untuk
memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng& DIY, Yogyakarta, 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
Sri Sumardiasih / Pengaruh suhu annealing dye titanium dioxide menggunakan ekstrak ketan hitam pada
dye sensitized solar cell (DSSC)
melalui beban pada waktu yang sama. Kemampuan ini
direpresentasikan dalam kurva arus-tegangan (I-V) [4].
Kurva arus-tegangan pada sel surya ditunjukkan oleh
Gambar 1[5].
Performansi dari sel surya umumnya direpresentasikan
dalam efisiensi. Nilai efisiensi suatu sel surya dihitung
dari rasio besarnya daya yang dihasilkan sel surya dengan
daya cahaya yang datang. Besaran efisiensi juga
bergantung dari intensitas spektrum matahari dan juga
temperatur sel surya, sehingga umumnya untuk
pengukuran efisiensi dalam kondisi standar, yaitu
spektum cahaya AM 1,5 yang di simulator mengguankan
dari solar simulator dan temperatur sel surya 25ºC
digunakan pada saat pengukuran [5]. Pada penelitian ini,
intensitas yang digunakan adalah 1000 W/m2.
Gambar 1. Kurva I-V pada sel surya.
Untuk menentukan efisiensi, terlebih dahulu dilakukan
pengukuran hubugan arus dan tegangan (I-V) yang
membentuk kurva seperti pada Gambar 1. Pengukuran
biasanya dilakukan dalam kondisi tersinari dan juga
kondisi tidak tersinari. Arus short-circuit (Isc) adalah arus
maksimum saat terjadi hubungan singkat dan tegangan
open-circuit (Voc) adalah tegangan maksimum saat
rangkaian terbuka. Titik pada kurva I-V yang
menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut daya
maksimum (Pmax). Fill Factor (FF) adalah parameter lain
dalam karakterisasi DSSC yang didefinisikan sebagai [4]
(1)
43
Dye memiliki peranan penting dalam performa DSSC
karena dye berperan sebagai penyerap foton dari sinar
matahari yang mengenainya [6]. Dalam penelitian ini
digunakan dye alami yang diekstrak dari ketan hitam
yang mengandung pigmen antosianin karena memiliki
rentang penyerapan pada sinar tampak yang cukup lebar
[7]. Salah satu sifat yang perlu diperhatikan pada
antosianin adalah kestabilannya. Kestabilan pigmen
antosianin dipengaruhi oleh beberapa faktor salah satunya
adalah faktor suhu. Kondisi suhu mempengaruhi laju
destruksi antosianin [8]. Penelitian ini difokuskan pada
pengaruh suhu annealing terhadap performa DSSC sebab
selain mempengaruhi destruksi antosianin, peningkatan
suhu annealing mempengaruhi kontak listrik antara pasta
dengan subtrat sehingga dapat mempengaruhi performa
dari DSSC [9].
II. METODE EKSPERIMEN
Dye diekstrak dari 100 gr ketan hitam yang ditumbuk
halus terlebih dahulu kemudian dilarutkan dengan 80 ml
ethanol. Larutan tersebut distirrer selama 1 jam, dan
disimpan selama 24 jam. Selanjutnya ekstrak dye disaring
dengan kertas saring Whatman no. 42 dan diuji
absorbansinya menggunakan spektrofotometer UV-Vis
Lambda 25.
Elektroda kerja dibuat dari campuran pasta TiO2
dengan ekstrak dye. Pasta TiO2 diperoleh dengan
mencampurkan 0,25 gr nanopowder TiO2 dengan 1,5 ml
ethanol dan distirrer selama 30 menit. Selanjutnya 5 ml
ekstrak dye ketan hitam dicampurkan ke pasta TiO2
tersebut sedikit demi sedikit. Campuran dye dengan TiO2
selanjutnya akan disebut dengan dye titanium dioxide.
Larutan dye titanium dioxide distirrer selama 5 jam.
Selanjutnya dye titanium dioxide dideposisi pada
permukaan kaca Fluorin-doped Tin Oxide (FTO) dengan
metode spin coating dan dipanaskan dengan varasi suhu
60ºC, 90ºC, 120ºC, dan 150ºC. Hasil deposisi kemudian
diuji absorbansi menggunakan UV-Vis Lambda 25.
Elektroda lawan dibuat dari grafit yang digoreskan
pada permukaan kaca FTO yang kemudian dibakar di
atas nyala lilin hingga menghitam. Selanjutnya elektroda
kerja dan elektroda lawan ditumpuk membentuk
sandwich yang di antara keduanya diteteskan elektrolit.
Kemudian di kedua sisi dijepit menggunakan clipboard.
Sandwich DSSC kemudian dikarakterisasi arustegangannya menggunakan Keithley 2602A untuk
memperoleh kurva I-V.
dengan
tegangan saat keluaran maksimum,
arus saat keluaran maksimum,
sedangkan daya keluaran maksimum adalah [4]
.
(2)
Persamaan efisiensi ditunjukkan oleh [4]
.
(3)
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari karakterisasi menggunakan spektrofotometer UVVis Lamda 25 diperoleh absorbansi maksimum untuk dye
ketan hitam dan dye titanium dioxide dengan variasi suhu
anneling seperti pada Gambar 2. Absorbansi maksimum
dye ketan hitam berada pada panjang gelombang 435 nm
dengan absorbansi Amax sebesar 0,4685 au dan memiliki
warna ungu kemerahan. Nilai ini tidak jauh berbeda
dengan hasil yang diperoleh oleh pustaka [6] sebesar
0,4985 au, sedangkan untuk dye titanium dioxide tidak
tepat nampak puncak absorbansinya. Namun puncak
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng& DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
44
Sri Sumardiasih / Pengaruh suhu annealing dye titanium dioxide menggunakan ekstrak ketan hitam pada
dye sensitized solar cell (DSSC)
absorbansi Amax mengalami penurunan seiring dengan
meningkatnya suhu annealingnya. Namun jika dilihat
dari Gambar 2, dapat dikatakan terjadi pergeseran daerah
serapan dye sebelum dicampur dan sesudah dicampur.
Hal ini karena warna dye antosianin yang mengalami
perubahan warna setelah dicampur seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 3. Perubahan warna ini sebagai
akibat adanya ikatan antara kromofor dye dari antosianin
dengan Ti dari TiO2 berupa sebuah ion OH dari Ti
berikatan dengan H+ dari dye antosianin membentuk
molekul H2O. Ikatan ini yang bermakna sama seperti
penyerapan dye oleh TiO2 pada proses perendaman
mengakibatkan larutan dye titanium dioxide berwarna
ungu.
Pergeseran ini juga menunjukkan bahwa TiO2
membutuh-kan dye
sebagai photosensitizer untuk
memperlebar rentang penyerapan cahaya akibat adanya
ikatan molekul antara dye dengan TiO2, sedangkan untuk
penurunan absorbansi dengan bertambahnya suhu, hal ini
karena antosianin lebih stabil pada suhu rendah
dibandingkan suhu tinggi. Pada suhu tinggi, antosianin
mudah terdestruksi sehingga memungkinkan jumlah
molekul dye yang berikatan dengan TiO2 akan semakin
berkurang.
Gambar 4. Dari Gambar 4 tampak bahwa kurva pada
suhu 120ºC memiliki luas area di kuadran empat yang
paling lebar. Artnya, efisisensi yang dimiliki oleh dye
titanium dioxide pada suhu 120ºC paling besar. Hal ini
disebabkan oleh faktor pelarut yang menggunakan etanol
yang memiliki titik didih 78.5ºC serta molekul H2O dari
hasil ikatan antara kromofor dye antosianin dengan Ti
dari TiO2 yang memiliki titik didih 100ºC, sehingga
dibutuhkan suhu di atas 100ºC untuk mengurangi kadar
air pada lapisan. Selain itu, peningkatan suhu juga
meningkatkan kontak listrik antara pasta dengan substrat.
Namun pada suhu 150ºC, efisiensi mengalami penurunan.
Hal ini dikarenakan antosianin mudah terdestruksi pada
suhu tinggi. Akibatnya, jumlah molekul dye yang
berikatan dengan TiO2 akan berkurang sehingga jumlah
elektron yang tereksitasi oleh dye juga berkurang.
Besarnya nilai arus,tegangan, Fill Factor (FF), dan
efisiensi dapat dilihat pada Tabel 1. Untuk mengetahui
besarnya nilai FF dan efisiensi DSSC, digunakan
Persamaan 2 dan Persamaan 3.
Gambar 4. Kurva I-V Dye Titanium Dioxide.
Gambar 2. Kurva Absorbansi Dye Ketan Hiam dan Dye
Titanium Dioxide.
Gambar 3. (a) dye ekstrak antosianin ketan hitam (b) dye
titanium dioxide.
Untuk karakterisasi arus-tegangan pada dye titanium
dioxide dengan variasi suhu annealing ditunjukkan oleh
Tabel 1. Data Kuva I-V Dye Titanium Dioxide
Hitam dengan Variasi Suhu Annealing.
Karakterisasi
Suhu
I-V
60
90
120
Isc(mA)
0,025
0,077
0,088
Voc(V)
0,190
0,370
0,370
Imax(mA)
0,030
0,011
0,038
Vmax (V)
0,190
0,175
0,280
FF
1,234
0,253
0,328
Efisiensi (%)
0,006
0,007
0,011
Ketan
150
0,005
0,115
0,016
0,115
2,893
0,002
Nilai efisiensi ini lebih kecil dibandingkan dengan nilai
efisiensi yang dilakukan oleh pustaka [10] dengan
metode perendaman yang memperoleh nilai sebesar
0,028% untuk perendaman 12 jam dan 0,032% untuk
perendaman 24 jam [10]. Masih kecilnya nilai efisiensi
yang diperoleh disebabkan oleh beberapa hal, antara lain
masih sedikitnya elektron yang terakumulasi pada
substrat FTO dari hasil eksitasi elektron dye ketika terjadi
penyerapan cahaya. Sedikitnya elektron yang tereksitasi
disebabkan masih sedikitnya antosianin yang berikatan
dengan TiO2 akibat masih kurang homogennya larutan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng& DIY, Yogyakarta, 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823
Sri Sumardiasih / Pengaruh suhu annealing dye titanium dioxide menggunakan ekstrak ketan hitam pada
dye sensitized solar cell (DSSC)
serta pengaruh suhu yang dapat menyebabkan
terdestruksinya antosianin. Penggunaan dye antosianin
dari ekstrak ketan hitam juga masih kurang baik karena
daerah serapannya yang tidak lebar sehingga cahaya
polikromatik dari lampu tidak dapat diserap maksimal.
Kurang luasnya daerah serapan menyebabkan kurangnya
foton yang diserap sehingga elektron eksitasi yang
dihasilkan masih kecil. Selain itu, sedikitnya elektron
yang terakumulasi pada FTO dimungkinkan disebabkan
oleh panjangnya lintasan difusi muatan, sehingga banyak
muatan yang berekomendasi sebelum sampai di elektroda
[9].
Penggunaan lapisan karbon sebagai elektroda lawan
juga merupakan faktor penyebab masih kecilnya efisiensi
yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan karbon belum
mampu terikat sempurna dengan substrat FTO sehingga
ketika diteteskan elektrolit, karbon dengan mudah
terlepas dari substrat. Elektrolit cair yang mudah
menguap juga dapat menghambat siklus transfer elektron
sehingga menyebabkan nilai efisiensi yang rendah.
IV. KESIMPULAN
Suhu annealing dapat mempengaruhi nilai efisiensi
dari DSSC karena dapat mempengaruhi kontak listrik
antara pasta dengan substrat. Namun karena dye
antosianin lebih stabil pada suhu rendah dibandingkan
suhu tinggi, maka terdapat suhu maksimal untuk
annealing pada fabrikasi DSSC dengan menggunakan
dye titanium dioxide sebagai elektroda kerja. Dalam
penelitian ini efsiensi tertinggi diperoleh pada suhu
annealing 120ºC yaitu 0.011%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada pengelola
Laboratorium Fisika Material dan Laboratorium Terpadu
UNS Surakarta. Terima kasih juga atas dukungan dari
LPPM Hibah Penelitian Pasca Sarjana No.
343/UN27/HK/2016 Tanggal 07 April 2016.
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
R. Syafinar, N. Gomesh, M. Irwanto, M. Fareq, and Y.M.
Irwan, Chlorophyl Pigments as Nature Based Dye For
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), Energy Procedia, vol.
79, 2015, pp. 896-902
D.D. Pratiwi, F. Nurosyid, A. Supriyanto, and R. Suryana,
Optical properties of natural dyes on the dye-sensitized
solar cells (DSSC) performance, J. Phy: Conference
series, vol. 776, 2016, pp. 007-012
A.B. Prasada, Hardani, Cari, and A. Supriyanto, Studi
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Menggunakan Ekstrak Sansevierietrifasciata (Daun Lidah
Mertua), Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng &
DIY, 201, pp. 51-54.
45
[4]
B. Alfa, M.T. Tsepav, R.L. Njinga, and Ibrahim,
Fabrication and Characterization of Titanium Dioxide
Based Dye Sensitized Solar Cell using Flame of the
Forest Dye, Applied Physics Research, vol. 4, No. 1,
2012, pp. 48-56.
[5] A. Shah, P. Torres, R. Tscharner, N. Wyrsch, and H.
Keppner, Photovoltaic Technology: The Case for ThinFilm Solar Cells, Science, vol. 285, no. 5428, 1999, pp.
692-698.
[6] A.B. Prasada, Cari, A. Supriyanto, U.M. Fadli, and
Hardani, Pengaruh Penyisipan Logam Besi (III) Sulfat
dalam Ekstrak Ketan Hitam (Oriza sativa Glutinosa)
sebagai Dye Fotosensitizer, Proceeding SENAFIS, 2015,
pp. 1-8.
[7] Efendi Wijaya, Ekstraksi, Purifikasi, dan Karakterisasi
Antosianin dari Kulit Manggis (Garcia mangostana L.),
FITPG IPB, 1991.
[8] Ludin NA, Mahmoud A.M.A, Mohamad AB, Kadhum
AAH, Sopian K, and Karim NSA, Review on the
Development of Natural Dye Photosensitizer for DyeSensitized Solar Cell, Renewable and Sustainable Energy
Reviews, vol. 31, 2014, pp. 386-396.
[9] Ananth S, Arumanayagam T, Vivek P, Murugakoothan P,
Direct Synthesis of Natural Dye Mixed Titanium Dioxide
Nano Particles by Sol-gel Method for Dye Sensitized
Solar Cell Application, Optik, vol. 125, 2014, pp. 495498.
[10] A. Supriyanto, A.B. Prasada, Cari, and U.M. Fadli,
Identifikasi dan Karakterisasi Ekstrak KetanH itam (Oriza
sativa Glutinosa) sebagai Fotosensitizer dalam Pembuatan
Dye Sensitized Solar Cells (DSSC), Jurnal ILMU DASAR,
vol. 17, no. 1, 2016, pp. 1-8.
TANYA JAWAB
Anonim
 Apa makna dari Vmax, Imax, dan FF?
 Bagaimana aplikasi DSSC?
Sri Sumardiasih, UNS
 FF adalah parameter lain dari kinerja DSSC dengan
persamaan FF = (Vmax.Imax)/(Isc.Voc) di mana Vmax dan
Imax diperoleh dari keadaan maksimum setelah kondisi
shortcut R open circuit ditentukan.
 Aplikasi DSSC berupa Window Solar Cell yang dapat
disusun secara paralel maupun sesuai kebutuhan,
namun belum diproduksi secara massal seperti
silikon.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng& DIY, Yogyakarta 18 Maret 2017
ISSN : 0853-0823