BAB V Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell

14
FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL
Pendahuluan
Pada dasarnya mekanisme konversi energi cahaya terjadi akibat adanya
perpindahan elektron bebas di dalam suatu atom. Konduktivitas elektron atau
kemampuan transfer elektron dari suatu material terletak pada banyaknya elektron
valensi dari suatu material. Sel surya pada umumnya menggunakan material
semikonduktor sebagai penghasil elektron bebas (Shah et al. 1999).
Elektrolit yang selama ini umum digunakan dalam sel surya pewarna
tersensitisasi adalah pelarut organik berbentuk cair yang mengandung sistem
redoks, yaitu pasangan I-/I3- (Gratzel 2003). Elektrolit didesain untuk
memfasilitasi transport ion pada medium dengan tingkat viskositas tinggi dan
memiliki kemampuan penuh untuk digunakan dalam proses penerimaan sinar
dalam sel (Moon 2006). Dalam penelitian ini, elektrolit yang mengandung garam
iodida akan diterapkan pada DSSC untuk mengetahui performa sel surya.
Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya
fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport
muatan. Selain elektrolit, DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari
nanopori ZnO, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan ZnO, dan katalis yang
semuanya dideposisi diantara dua kaca konduktif. Pada bagian atas dan alas sel
surya merupakan glass yang umumnya sudah dilapisi oleh TCO (Transparent
Conducting Oxide) biasanya SnO2, yang berfungsi sebagai elektroda dan counterelectrode. Pada TCO counter electrode dilapisi katalis untuk mempercepat reaksi
redoks dengan elektrolit. Pasangan redoks yang umumnya dipakai yaitu I-/I3(iodide/triiodide). Pada permukaan elektroda dilapisi oleh nanopori ZnO yang
mana dye teradsorpsi di pori ZnO.
Pada sel surya tersensitisasi dye cahaya foton diserap oleh dye yang melekat
(attached) pada permukaan partikel TiO2 atau ZnO yang bertindak sebagai donor
elektron dan berperan sebagai pompa fotoelektrokimia (Maddu 2007). Elektronelektron dari level HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dieksitasi ke
tingkat energi yang lebih tinggi, LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)
ketika molekul dye menyerap foton dengan energi yang sesuai, mirip dengan
fungsi klorofil pada proses fotosintesis tumbuhan.
Tujuan
Merakit dan mengkarakterisasi semikonduktor ZnO nanorod dan antosianin
sebagai sel surya.
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan diantaranya KI (Potasium Iodida) dalam
bentuk serbuk, acetonitrile, Triton X-100, I2 dalam bentuk serbuk, larutan asam
asetat 3 % dalam etanol, pensil karbon khusus, larutan antosianin, serbuk ZnO,
scotch tape plaster dan beberapa kaca TCO.
15
Alat
Peralatan yang digunakan antara lain beberapa gelas kimia, corong, botol
wadah larutan, spatula, timbangan analitik, kertas tisu, sarung tangan dan masker,
stirer magnetic, hotplate, blinder clip, beberapa multimeter, kabel penghubung
dan hambatan variabel.
Metode Sintesis Elektrolit
Larutan elektrolit dibuat dengan cara melarutkan 0,8 gram KI (Potassium
Iodide) ke dalam larutan acetonitrile sebanyak 10 mL yang kemudian diaduk
merata. Selanjutnya ditambahkan 0,127 gram I2 (Iodine) ke dalam larutan tersebut
sampai ketiga bahan tersebut terlarut dengan sempurna. Kemudian simpan dalam
botol tertutup (Nadeak dan Susanti 2012).
Metode Fabrikasi dan Karakterisasi Sel Surya ZnO/Antosianin
Pembuatan sel surya dilakukan dengan membuat pasta 0.15 gram bubuk
ZnO ditambahkan asam asetat 3 % dan Triton X-100 secukupnya digerus dengan
menggunakan mortar. Kemudian adonan dioleskan diatas kaca ITO yang telah
dibuat pola berukuran 2x2 cm2 dengan metode Doctor blade menggunakan
spatula. Setelah pasta kering selanjutnya dipanaskan 250 oC diatas hotplete lalu
direndam pada larutan antosianin selama 5 menit.
I
TCO Glass
ZnO+Dye
Electrolyte
V
RL
Counter electrode
TCO Glass
Gambar 9 Struktur DSSC dalam pengujian IV sel surya ZnO nanorod dan
antosianin Lampeni.
Kemudian pada bagian atasnya ditutupi dengan kaca ITO lainnya yang
telah dilapisi dengan menorehkan pensil karbon khusus (Gambar 9) pada bagian
konduktifnya (Rahman 2011). Sel yang telah terbentuk ditambahkan 2 tetes
elektrolit KI/I2 lalu dilakukan pengukuran performa sel surya. Pengamatan dan
pengambilan data langsung dilakukan dengan paparan sinar matahari. Sesuai
dengan gambar 9, V adalah voltmeter, I adalah amperemeter dan RL sebagai
beban hambatan variabel sebesar 2 MΩ.
16
Hasil dan Pembahasan
Besar dan kecilnya tegangan yang dihasilkan tergantung jumlah muatan
pada masing-masing semikonduktor. Sesuai teori bahwa transfer elektron pada
HOMO dan LUMO tergantung pada tingkat energi ionisasinya (Xu et al. 2010).
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik arustegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan sumber cahaya dari sinar matahari
langsung (Gambar 9).
Perbedaan nilai tegangan terbuka (Voc) terjadi pada masing-masing
konsentrasi basa. Hal ini disebabkan adanya perbedaan medan listrik internal pada
interface yang timbul akibat perbedaan muatan dan pengaruh ukuran partikel dari
masing-masing sel. Kecilnya arus keluaran yang dihasilkan disebabkan oleh
resistansi lapisan elektroda semikonduktor ZnO dan elektrolit yang sangat besar,
dari hasil pengukuran diketahui nilai resistansi lapisan ZnO dalam orde megaOhm
(MΩ).
0.08
1M
2M
3M
Arus (mA)
0.06
0.04
0.02
0.00
0
50
100
150
200
250
300
350
Tegangan (mV)
Gambar 10 Kurva IV sel surya dari ZnO/antosianin.
Nilai resistansi yang sangat besar ini mengakibatkan elektron yang diinjeksi
dari dye mengalami hambatan yang sangat besar. Sehingga jumlah elektron yang
mengalir ke rangkaian luar menjadi kecil. Penyebab lainnya dapat diakibatkan
oleh belum optimalnya fungsi dye dalam pembangkitan dan injeksi elektron ke
lapisan elektroda ZnO.
Efisiensi konversi sel surya dihitung menurut hubungan persamaan (5),
yaitu
dimana Pmax adalah daya maksimum yang dihasilkan sel surya dan Pin adalah
daya dari sinar matahari. Daya maksimum diberikan oleh hubungan persamaan (6)
berikut
dengan fill factor diberikan oleh persamaan (7)
17
Berdasarkan hasil pengukuran nilai arus dan tegangan yang telah dibuat
dalam bentuk kurva arus-tegangan (I-V), diperoleh parameter-parameter keluaran
sel surya seperti dirangkum di dalam Tabel 2.
Sel
A (1M)
B (2M)
C (3M)
Tabel 3 Nilai parameter dalam sel surya
Voc
Isc
Vmax
Imax
Pmax
ff
(mV) (mA) (mV) (mA) (µW)
(%)
116.1 0.012 44.6 0.009 0.401 0.103
162.1 0.024 77.5 0.014 1.085 0.278
342.8 0.149 191.1 0.067 12.803 0.251
ɳ (%)
0.1x10-2
0.2 x10-2
3.3 x10-2
Penambahan elektrolit KI/I2 pada sel, diketahui mampu meningkatkan
tegangan terbuka (Voc). Hal ini menunjukkan bahwa jumlah hole pada sel
meningkat seiring dengan penambahan elektrolit KI/I2. Dari beberapa studi
literatur diketahui bahwa penambahan elektrolit KI/I2 dapat meningkatkan
peforma sel surya pada tegangan terbuka (Voc) (Zamrani dan Prajitno 2013).
Untuk nilai fill factor yang diperoleh begitu variatif, perbedaan ini disebabkan
oleh bentuk kurva I-V yang dihasilkan tidak sama. Semakin besar nilai fill factor
yang didapatkan akan menunjukkan bentuk kelengkungan kurva yang semakin
ideal.
Berdasarkan Tabel 2 dapat dilihat pula elektrolit KI/I2 mampu membentuk
25 % kelengkungan kurva dari bentuk ideal dengan nilai efisiensinya lebih tinggi
dari dye yang lainnya. Sedangkan besar dan kecilnya nilai efisiensi sangat
dipengaruhi oleh nilai Vmax dan Imax yang dihasilkan. Optimasi DSSC merupakan
interaksi sistem molekul yang sangat kompleks. Permukaan kation-teradsorpsi
memberikan pengaruh besar pada efisiensi DSSC. Selanjutnya, konsentrasi kation
antarmuka juga mempengaruhi stabilitas keterikatan permukaan sensitizer.
Simpulan
Perbedaan nilai efisiensi yang dihasilkan dari antosianin disebabkan oleh
perbedaan ukuran kristal dan morfologi kristal partikel ZnO pada sel surya.
Besarnya nilai Vmaks sangat dipengaruhi oleh kualitas dye yang digunakan yang
terkait dengan stabilitas. Rendahnya nilai Voc sangat dipengaruhi oleh kosentrasi
dari dye, mengakibatkan rendahnya daya maksimum yang dihasilkan akibat
penurunan rendahnya tegangan maksimum sehingga arus maksimumnya pun akan
rendah.