(DSCC) PADA TiO2 FASE ANATASE DAN RUTILE

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
1
KAREKTARISASI FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR
CELL (DSCC) PADA TiO2 FASE ANATASE DAN RUTILE
Rizqon Natullah, dan Gatut Yudoyono
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
Abstrak— Fabrikasi dye sensitized solar cell (dscc) dimaksudkan
untuk pengembangan energi alternatif masa depan dengan dye jahe
merah, berbahan TiO2 nano fase anatase dan rutile dideposisikan
dengan menggunakan metode spin coating pada substrat ITO, dibentuk
dengan struktur sandwich. DSCC disinari dengan menggunakan lampu
halogen dan diukur dengan multimeter sehingga dapat dilihat
karakterisasi arus dan tegangan yang menunjukkan bahwa bahwa arus
pada TiO2 nano anatase bernilai lebih stabil dan lebih besar
dibandinghkan dengan arus pada TiO2
nanao rutile. Hal ini
dikarenakan pada TiO2 nano anatase bersifat fotokatalis dan aktivis
yang tinggi sedangkan TiO2 nano rutile bersifat fotokatalis dan
fotoaktivis yang lebih rendah.
Kata Kunci— DSCC, TiO2 , anatase, rutile.
I. PENDAHULUAN
P
ERKEMBANGAN teknologi, prilaku masyarakat, dan
jumlah penduduk menyebabkan energi merupakan
kebutuhan vital. Dewasa ini pengunaan sumber energi fosil
telah diminimalisir dan beralih pada sumber energi terbarukan.
Salah satu sumber energi terbarukan adalah sel surya. Sel
surya konvensional memanfaatkan material optis dan
semikonduktor. Pada tahun 1839 Edmund Becquerel, seorang
pemuda Prancis berusia 19 tahun menemukan efek yang
sekarang dikenal dengan efek fotovoltaik ketika tengah
berkesperimen menggunakan sel larutan elektrolisis yang
dibuat dari dua elektroda. Becquerel menemukan bahwa
beberapa jenis material tertentu memproduksi arus listrik
dalam jumlah kecil ketika terkena cahaya.
Penemuan sel surya modern dimulai satu abad setelah
penemuan fenomena fotovoltaik pertama oleh tiga peneliti Bell
Laboratories di AS (Chapin, Fullr dan Pearson) secara tidak
sengaja menemukan bahwa sambungan dioda pn dari silikon
mampu membangkitkan tegangan listrik. Pada tahun tersebut
mereka telah berhasil membuat sebuah sel surya pertama
dengan efisiensi sebesar 6%. Dari titik inilah penelitian yang
dilakukan terkait sel surya hingga sekarang berkembang
dengan banyak jenis dan pembuatanya.
Pada tahun 1991, Michael Grätzel dan Brian O’Regan telah
menemukan “Dye-sensitized Solar Cells” yang biasa disebut
sel Grätzel. Sel pertama hanya dapat digunakan untuk
spektrum ultraviolet dan biru pada cahaya matahari. Seiring
perkembangan
jaman,
kemajuan
teknologi
mampu
memperlebar frekuensi cahaya dimana sel surya ini mampu
merespon cahaya matahari dengan memanfaatkan bahan dye
tertentu. Bahan dye yang paling efisien secara mudah disebut
dengan dye hitam karena warna dari dye yang sangat gelap.
Meskipun solar sel berbasis silicon saat ini lebih efisien,
DSC tetap banyak dikembangkan karena proses
manufakturnya yang mudah dan jauh lebih murah. Efisiensi
secara keseluruhan penemuan dan penelitian DSC mampu
mencapai 11% dengan memanfaatkan titanium dioksida
(TiO2). Saat ini peneliti pada Universitas Washington
menemukan teknik baru yang mengadopsi metode bola
popcorn. Ketika cahaya mengenai permukaan sel surya,
beberapa persen cahaya dipantulkan. Ide pada efek bola
popcorn adalah membuat sebanyak mungkin lapisan sangat
tipis, sehingga efisiensi keluaran sel surya dapat berlipat ganda
hal inilah yang menjadi dasar dalam penelitian ini.
.
II. TOERI
A. Sel Surya
Matahari adalah sumber energi utama yang memancarkan
energi yang luar biasa besarnya ke permukaan bumi. Cara
kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya
Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor
(FF)sebagai partikel. Energi yang dipancarkan oleh sebuah
cahaya dengan panjang gelombang λ dan frekuensi photon V
dirumuskan dengan persamaan:
E = h.c/ λ .............. (2.1)
Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10-34 J.s) dan c
adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3 x 108 m/s).
Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat
dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang
dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan
menggunakan sebuah divais semikonduktor.
Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi
listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun
sel surya berupa semikonduktor, lebih tepatnya tersusun atas
dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p.
Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang
memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan
negatif, (n = negatif), sedangkan semikonduktor jenis p
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p =
positif) karena kelebihan muatan positif.
pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk
meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan
daya hantar listrik. Kelebihan elektron atau hole dapat
meningkatkan daya hantar listrik
B. Efisiensi Sel Surya
Karakteristik keluaran daya sel surya ketika diberikan
sinar matahari tegangan open-circuit (Voc), Arus short circuit
Isc, dan Maximum Power Point (MPP), dan arus tegangan pada
MPP : Impp,Vmpp. Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus
maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan
pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir
sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan opencircuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan
tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP)
seperti pada Gambar 2.1
2
mempunyai struktur kristal tetragonal.
D. Jahe Merah
Dye yang digunakan dalam DSCC ini adalah ekstraksi jahe
merah. Elektroda kerja terbuat dari kaca ITO yang berukuran 2
X 2 pada permukaan konduktifnya dilapisi deposisi
semikonduktor larutan TiO2 nano. Pelapisan pedeposisi
semikonduktor ini dilakukan dengan metode spin coating ,
dimana kecepatan masing-masing spin yaitu kecepatan 500
rpm selama 40 sekon dilanjutkan dengan kecepatan 1000 rpm
selama 100 sekon dilanjutkan lagi dengan kecepatan 2000 rpm
selama 100 sekon.
Pembuatan sandwich DSCC yaitu dengan cara kaca ITO
yang terlapisi TiO2 yang telah dicampur dye ekstraksi jahe
merah yang disebut juga elektroda kerja ditetesi dengan
larutan elektrolit kemudian diletakkan oleh kaca yang telah
terlapisi karbon yang disebut elektroda pembanding. Terlihat
sebuah susunan sandwich yang kemudian dijepit bagian sisi
kiri dan kanan. Pengukuran arus dan tegangan pada DSCC
dengan menggunakan 2 buah multimeter yang dihubungkan
secara paralel pada DSCC. Disini sumber cahaya berupa
lampu halogen karena mempunyai karakter yang hampir sama
dengan cahaya matahari.
E. Prinsip Kerja DSSC
Prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer
electron. Elektron tereksitasi dari ground state (P) ke excited
state (P*):
P + e- 
P* ............................(2.5)
Gambar 2.1 grafik I-V pada photovoltaic yang bekerja secara normal
Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor
(FF) dengan persamaan:
FF =
Vmac I max
.................................(2.2)
VOC I SC
Sehingga efisiensi sel surya
η=
Pmax
........................................(2.4)
Pcahaya
Elektron dari excited state kemudian langsung terinjeksi
menuju conduction band (ECB) titania sehingga molekul dye
teroksidasi (P+) adanya donor elektron oleh elektrolit (I-) maka
molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground state).
2P + 3e-  I3- +2P ........................(2.6)
adanya katalis pada counter-elektroda, elektron diterima
oleh elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I3), akibat donor elektron pada proses sebelumnya,
berekombinasi dengan elektron membentuk iodide (I-)
I3- + 2e-  3I-............................. (2.7)
C. Titanium Dioksida
Titanium dioksida merupakan salah satu material keramik
yang biasa disebut titania. Titania dalam bentuk anatase
terbentuk melalui hidrolisis halida-halida Ti pada suhu yang
tidak terlalu tinggi (sekitar 600°C) atau melalui kalsinasi asam
titania yang telah diendapkan pada suhu ± 700°C. Titanium
dioksida murni yang dikalsinasi pada suhu tinggi akan selalu
menghasilkan fasa rutil Titanium dioksida memiliki tiga
bentuk polimorf yaitu anatase, rutil, dan brokit Anatas dan rutil
Iodide ini digunakan untuk mendonor elektron kepada dye
yang teroksidasi, sehingga terbentuk suatu siklus transport
elektron. Dengan siklus tersebut terjadi konversi langsung dari
cahaya matahari menjadi listrik.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
3
III. METODOLOGI
A. Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya adalah
gelas kimia 100 ml, 250 ml dan 500ml, gelas ukur 10 ml dan
25 ml, magnetik stirrer, hot plate stirer, penjepit/pinset,
termometer, pipet, neraca digital ohauss, cawan petri, spatula,
selotip,klip binder,gunting, cutter, pensil kayu, penggaris,
spacer dari film plastik, multimeter 2 buah dan mortar, TiO2
nano berfase anatase dan rutile, KI 10% solution dan iodin,
kaca konduktif tin oxide (ito) berukuran 2 x 2 cm2, larutan dye
ekstraksi jahe merah, asam asetat, aqudes, karbon dari pensil
8b,alkohol 98%.
B. Metode Kerja
Dye yang digunakan dalam DSCC ini adalah ekstraksi jahe
merah. Elektroda kerja terbuat dari kaca ITO yang berukuran 2
X 2 pada permukaan konduktifnya dilapisi deposisi
semikonduktor larutan TiO2 nano. Pelapisan pedeposisi
semikonduktor ini dilakukan dengan metode spin coating ,
dimana kecepatan masing-masing spin yaitu kecepatan 500
rpm selama 40 sekon dilanjutkan dengan kecepatan 1000 rpm
selama 100 sekon dilanjutkan lagi dengan kecepatan 2000 rpm
selama 100 sekon.
Pembuatan sandwich DSCC yaitu dengan cara kaca ITO
yang terlapisi TiO2 yang telah dicampur dye ekstraksi jahe
merah yang disebut juga elektroda kerja ditetesi dengan
larutan elektrolit kemudian diletakkan oleh kaca yang telah
terlapisi karbon yang disebut elektroda pembanding. Terlihat
sebuah susunan sandwich yang kemudian dijepit bagian sisi
kiri dan kanan. Pengukuran arus dan tegangan pada DSCC
dengan menggunakan 2 buah multimeter yang dihubungkan
secara paralel pada DSCC. Disini sumber cahaya berupa
lampu halogen karena mempunyai karakter yang hampir sama
dengan cahaya matahari.
Gambar 4.1 absorbansi dye jahe merah
B. Hasil Uji XRD Pada Serbuk Tio2 Sebagai Bahan
Semikonduktor
Prinsip kerja XRD pada dasarnya sinar x ditembakkan ke
material yang diuji.kemudian sinar-X berinteraksi dengan
struktur kristal maka akan terbentuk pola-pola difraksi ketika
sinar-X melewati celah-celah kecil diantara bidang-bidang
kristal tersebut. Pola-pola tersebut menyerupai pola gelap dan
terang, pola gelap terbentuk ketika terjadi inteferensi
destruktif, sedangkan pola terang terbentuk ketika interferensi
konstruktif dari pantulan gelombang- gelombang sinar-X yang
saling bertemu Dengan menganalisis puncak-puncak grafik
tersebut kristal suatu material dapat diketahui
Berdasarkan analisa XRD dengan menggunakan software
MAUD diperoleh ukuran serbuk TiO2 yang digunakan dalam
penelitian ini yaitu polikristal anatase 14-16 nm, seperti
ditunjukkan pada gambar 4.2
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
A. Hasil Uji Spektrofotometer UV Vis pada Dye Jahe Merah
Dye ekstraksi jahe merah yang diuji dengan spektrometer
UV-Vis untuk mengetahui nilai absorbansi cahaya pada
molekul. Cahaya yang dipancarkan, ditembakkan ke dye ,
molukel dye menyerap sinar ultraviolet pada energi tertentu,
absorbansi meningkatkan energi elektronik sebuah molekul
cahaya.
Berdasarkan hasil uji spektrofotometer terjadi absorbasi
yang hampir merata dari range panjang gelombang 400 – 1100
nm dengan peak (puncak gelombang) dirange panjang
gelombang 635-680 nm dan 950 nm. Dengan puncak
penyerapan yang terjadi pada cahaya ultra violet (UV) dan
infrared (NIR) dapat diketahui bahwa jahe merah dapat
memaksimalkan kerja penyerapan pada waktu pagi , siang dan
sore. Seperti ditunjukkan gambar grafik 4.1
Gambar 4.2 Grafik hasil Uji XRD TiO2 anatase
Pada Gambar 4.2 merupakan pola difraksi sinar X pada fase
anatase . indentifikasi fase anatase terlihat dari letak puncak
(peak) pola difraksi. Hasil pengujian difraksi dari sempel lain
didapatkan pola seperti pada Gambar 4.3. hasil pengujian
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
4
didapatkan pola pada Gambar 4.3, hasil identifikasi fase
menunjukkan adanya fase rutile
Gambar 4.3 Grafik hasil Uji XRD TiO2 rutile
Secara fotokatalitik, struktur anatase menunjukkan
aktivitas yang lebih baik dari segi kereaktifan dari struktur
rutile (Su,2004). Struktur anatase merupakan bentuk yang
paling sering digunakan karena memiliki luas permukaan
serbuk yang lebih besar serta ukuran partikel yang lebih kecil
dibandingkan dengan struktur rutile dan struktur ini muncul
pada rentang suhu pemanasan dekomposisi senyawa titanium
(400-650°C).
C. Pengujian Daya yang Dihasilkan Oleh DSSC
Pengukuran arus dan tegangan pada DSSC dengan metode
spin coating dan membandingka hasil pengukuran arus dan
tegangan pada DSCC dengan variasi larutan TIO2 yang berfase
anatase dan rutile dimana masing –masing fase ini diacampur
dye dengan beberapa tetes dye jahe merah pada waktu distirer
dengan menunggu 24 jam berikut grafik yang diperoleh
Gambar 4.3. Grafik karakteristik I-V DSSC berukuran 2 cm x 2cm dengan
variasi dye yang dicampurkan pada larutan TiO2 (sampel A) dan dye yang
diteteskan pada lapisan TiO2 (sampel B) pada substrat ITO .
Gambar 4.4 Grafik karakteristik I-V DSSC berukuran 2 cm x 2cm dengan
variasi dye yang dicampurkan pada larutan TiO2 (sampel A) dan dye yang
diteteskan pada lapisan TiO2 (sampel B) pada substrat ITO
Karakteristik arus dan tegangan pada DSCC yang berfase
anatase memiliki daya yang stabil dibandingkan dengan
karaketristik arus dan tegangan pada DSCC yang berfase
rutile terlihat tidak stabil. Pada gambar garfik berfase anatase,
diperlihatkan tegangan open-circuit (Voc), Arus short circuit
Isc, dan Maximum Power Point (MPP), dan arus tegangan pada
MPP : Impp,Vmpp. Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus
maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan
pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir
sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan opencircuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan
tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP)
Pada DSCC yang berfase anatase terdapat nilai arus
maksimum sekitar 52 µA dan nilai tegangan 512 mV pada
grafik ini terlihat terjadinya nilai arus yang konstan dari 0 mv
– 300 mv selanjutnya turun perlahan dan pada fase anatase
dengan TiO2 yang ditetesi dye kemudian di tunggu 24 jam
terlihat arus maksimum 19 µA dan tegangan maksimum 330
mV dan pada grafik ini hampir terjadi bernilainya arus yang
konstans dan kemudian arus perlahan-lahan turun. Sedangkan
pada berfase rutile terlihat grafik nilai arus dan tegangan yang
turun drastis. Hal ini terlihat pada grafik rutile pada TiO2
dicampur dye terlihat nilai arus maksimum sekitar 17,1 µA dan
kemudian tegangan maksimum berkisar 415 mV hal ini lebih
baik jika dibandingkan dengan TiO2 yang ditetesi dye
kemudian di tunggu 24 jam dimana nilai dari arus
maksimumnya berkisar 12,1µA sedangkan tegangan
maksimum berkisar 317 mV disini bentuk grafik linear yang
mana tegangan dan arus berbanding lurus tanpa adanya nilai
arus konstan yang terbentuk.
V. KESIMPULAN
Kesimpulan yang diambil dari penelitian ini adalah
1. Fabrikasi DSCC dengan menggunakan bahan TiO2
nano sebagai bahan semikonduktor dengan ekstraksi
jahe merah sebagai dye dapat mengkorvensi energi
cahaya menjadi energi listrik
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
2. Pengukuran arus dan tegangan variasi lapisan larutan
TiO2 fase anatase lebih besar dan lebih stabil
dibandingkan dengan TiO2 fase rutile.
3. Pengukuran arus dan tegangan variasi larutan TiO2
yang dicampurkan ekstraksi dye saat distirer
menghasilkan arus dan tegangan lebih besar
dibanding larutan TiO2 yang ditetesi dye dan ditunggu
selama 24 jam.
.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Ahrens, C. Donald. [2003],Meteorology Today, An introduction to
weather, climate, and environment. Thomson learning, Inc. Amerika .
Grätzel, Michael, 2003, Dye-Sensitised Solar Cells, journal of
Photochemistry and Photobiology, Vol.4, 145-153.
Wenham Stuart R Et All. 2007.”Applied Photovoltaic”. UK And USA :
Earthscan..
Http://Jahemerah.Org/Kandungan-Senyawa-Dan-Manfaat-Jahe-Merah/.
Wendy.2009. Titanium Dioxide (TiO2) Fotokatalis Yang Potensia
<Curvatech .Blogspot.Com>. Diakses Tanggal 10 oktober 2012.
Wurfel , Peter .2005.”Physics Of Solar Cells Form Priciples T New
Concept “. Weinheim : Wiley Vch Verlug Cimbhn & Co.
Halme, Janne. 2002. “ Dye Sensitized Nanostructured And Organic
Photovoltaic Cells : Technical Review And Preeleminary Test,”Helsinki
University Of Tecnology ,Esopo, Finland.
Smestad , G.P., And Gratzel, M. 1998, Demonstrating Electron Transfer
And Nanotechnology : A Natural Dye Sensitized Nanocrystalline
Energy Converter, J.Chem.Educ., 75, 752-756
5