Prosiding Tugas Akhir Semester Genap 2008/2009
SK - 01
PENGARUH HUBUNGAN SERI-PARALEL PADA RANGKAIAN SEL SURYA PEWARNA TERSENSITISASI (SSPT) TERHADAP EFISIENSI KONVERSI ENERGI LISTRIK Kholid Ramadhani*, Prof. Dr. Syafsir Akhlus, MSc.1 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya ABSTRAK
Penelitian yang telah dilakukan ini berkaitan dengan pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan serta efisiensi konversi energi listrik pada rangkaian sel surya pewarna tersensitisasi yang disusun berdasarkan kombinasi hubungan seri-pararel. Sel surya yang digunakan pada penelitian ini menggunakan zat warna yang berasal dari buah mangsi (Phyllanthus reticulatus poir). Sel surya pewarna tersensitisasi yang digunakan pada setiap rangkaian masing-masing sebanyak empat buah. Efisiensi yang dihasilkan pada rangkaian 1, rangkaian 2, rangkaian 3, rangkaian 4 masing-masing sebesar 0,1619%, 0,1285%, 0,2103%, dan 0,1325%. Efisiensi konversi energi listrik tertinggi dihasilkan oleh rangkaian 3 pada pengukuran outdoor hari pertama yaitu sebesar 0,2103%. Kata kunci : rangkaian seri-pararel, sel surya pewarna tersensitisasi, buah mangsi (Phyllanthus reticulatus poir). ABSTRACT
This research study related to the measurements of current and voltage output and efficiency of dye sensitized solar cell (DSSC) in order of simple connectivity of series-paralell combination. In which the dye used in solar cell, was derived from mangsi (Phyllanthus reticulatus poir).. The solar cells as used in every combination is four cells. Electric energy conversion efficiency have been obtained in DSSC combination number 1, combination 2, combination 3 and combination 4 are 0,1619%, 0,1285%, 0,2103%, dan 0,1325%. Highest electric energy conversion efficiency is 0,2103% which has been obtained in DSSC combination number 3 on the first day of measurement. Keyword : series-parallel combination, dyed-sensitized solar cell, Phyllanthus reticulatus poir.
PENDAHULUAN Beberapa sumber energi terbaharukan disarankan sebagai alternatif untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah sumber energi surya, biomassa, angin dan tenaga air. Energi surya menjadi salah satu alternatif yang banyak digunakan karena sangat menjanjikan antara lain ditinjau dari segi kelimpahannya di alam, bersih, aman dan memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerahdaerah terpencil (Mayo, 2004). Alasan- alasan lain mengapa energi suya merupakan energi alternatif yang sangat menjanjikan adalah radiasi energi surya yang mencapai permukaan bumi berkisar 1 x 105 TW atau dengan nilai teknis 10.000 TW. Nilai ini terbesar dibandingkan sumber-sumber energi alternatif lain. 1.700 kWh untuk tiap meter persegi lahan (LoCascio, 2002). * Corresponding author Phone : +6285730312998 e-mail:
[email protected] 1 Alamat sekarang : Jur Kimia, Fak. MIPA, Institut Teknologi 10 Nopember, Surabaya. Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Perkembangan sistem konversi energi surya menjadi energi listrik berlangsung melalui sistem yang disebut sebagai sel fotovoltaik. Sel surya merupakan suatu mekanisme yang bekerja berdasarkan efek fotovoltaik dimana foton dari radiasi diserap kemudian dikonversikan (diubah) menjadi energi listrik. Efek voltaik sendiri adalah suatu peristiwa terciptanya muatan listrik didalam bahan sebagai akibat penyerapan (absorbsi) cahaya dari bahan tersebut (Malvino, 1986). Sistem fotovoltaik nonkonvensional yang telah diteliti dan paling terkenal adalah sistem fotovoltaik generasi ketiga yang dikembangkan oleh Michael Grätzel pada 1991 dimana sistem ini dinamakan sel surya pewarna tersensitisasi (dye sensitised solar cell) (Halme, 2002), Prinsip kerja sel surya pewarna tersensitisasi ( SSPT ) atau Dye-sensitized Sollar Cell (DSSC) menggabungkan tiga proses yang berbeda yaitu eksitasi fotosensitizer oleh foton, pemanfaatan pita konduksi, reaksi redoks pada larutan elektrolit. Mulamula foton yang menerobos kristal nano diabsorb oleh fotosensitiser dan mengeksitasi elektron dari
fotosensitizer ke keadaan tereksitasi. Melalui transfer muatan, elektron yang berada pada keadaan tereksitasi akan turun ke pita konduksi dari TiO2, elektron akan mengalir lewat elektroda menuju elektroda lawan. Elektron yang ada di elektroda lawan akan bereaksi dengan larutan eletrolit yang akan menyebabkan terjadi reaksi redoks pada elektrolit. Reaksi redoks pada elektrolit pada gilirannya akan memberikan elektron kepada fotosensitizer dan siap untuk dieksitasi lagi untuk memulai siklus berikutnya (Akhlus, 2007). Arus dan tegangan yang dihasilkan oleh sebuah sel surya pewarna tersesensitisasi saat ini relatif kecil sehingga mengakibatkan efisiensi konversi energi yang dihasilkan kecil. Untuk meningkatkan arus dan tegangan SSPT salah satunya dengan cara menggabungkan beberapa SSPT menjadi susunan rangkaian SSPT yang dihubungkan secara seri, paralel, maupun gabungan keduanya. Hubungan sel surya satu dengan lainnya pada suatu rangkaian dapat mempengaruhi efisiensi yang dihasilkan. Oleh karena itu untuk menentukan hubungan SSPT yang tepat pada suatu rangkaian SSPT dilakukan pengukuran arus dan tegangan dengan menggunakan karakterisasi melalui kurva arus dan tegangan (Halme, 2002). METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kaca oksida penghantar transparan (dari Hartford Glass, Inc, Indiana), clip binder, pensil grafit, isolasi, gunting, glassbeads, mortar (penggilingan), kertas tisu, kertas saring, kabel, beker glass, pipet tetes, pipet gondok, gelas ukur, cawan petri, cawan arloji, oven, furnace, batang pengaduk, aluminium foil, ampul, dan neraca timbang serta pyranometer Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk TiO2 (dari Tronox), asetil aseton, triton X-100, larutan I2 dalam KI, buah mangsi, etanol, HCl, aquades. METODOLOGI Preparasi Larutan Pembuatan Suspensi TiO2 Bubuk TiO2 (Tronox) sebanyak 6 gram digerus dengan menggunakan mortar kemudian ke dalamnya ditambahkan asetil aseton sebanyak 0.2 mL yang telah dilarutkan dalam 1 mL air. Campuran ini diaduk hingga merata. Kemudian ke dalam campuran tersebut ditambahkan sebanyak 8 mL air destilasi, yang dimasukkan secara perlahan – lahan sambil diaduk supaya merata. Jika telah merata, larutan TiO2 dimasukkan dalam botol tertutup dan dikocok dengan menggunakan glassbeads untuk memecahkan partikel – partikel TiO2. Lalu ke dalam suspensi yang telah dikocok dimasukkan 0.1 mL triton X-100 yang telah dilarutkan dalam 1 mL air. Setelah penambahan triton X-100, suspensi sebaiknya tidak dikocok lagi secara Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
mekanik untuk menghindari terjadinya busa (foaming). Kemudian suspensi didiamkan selama 15 menit sebelum digunakan, supaya stabil dan busa (foaming) serta gelembung udara berkurang. Pembuatan Larutan Zat Warna Buah mangsi ditimbang sebanyak 20 gram lalu dihaluskan dengan mortar, diekstrak dengan etanol sebanyak 15 mL sambil digerus dengan mortar, didiamkan selama tiga hari lalu disaring menggunakan kertas saring. Semua perlakuan diusahakan di ruang gelap atau dengan pencahayaan yang minimum. Pembuatan Elektroda
Pembuatan Elektroda Kerja Pasta TiO2 dilapiskan pada conducting glass yang telah dilapisi isolasi pada kedua sisinya hingga luas bagian yang akan dilapisi mencapai 4cm2. Pelapisan dilakukan dengan teknik doctor-blade hingga mencapai ketebalan 7 – 10 µm . Kaca yang sudah terlapisi TiO2 disintering dalam furnace pada suhu 450 ˚C selama 30 menit, kemudian didinginkan pada suhu 700 C. Permukaan kaca berlapis TiO2 direndam dalam ekstrak mangsi dalam cawan petri kemudian disimpan dalam tempat gelap selama satu hari. Setelah permukaan kaca direndam, dicuci kembali dengan menggunakan etanol, dan dikeringkan dengan tissue di bagian luarnya. Pembuatan Elektroda Pembanding Permukaan conducting glass dilapisi dengan pensil grafit hingga rata. Kemudian plat dipanaskan selama 30 menit pada suhu 450 oC, didinginkan perlahan, dicuci dengan etanol dan dikeringkan dalam udara terbuka. Perangkaian Alat Elektroda kerja yang telah siap diletakkan di atas meja dengan posisi film yang terlapisi di bagian atas kemudian ditempeli dengan elektroda pembanding sehingga sisi konduktif dari elektroda pembanding berhadapan dengan film TiO2, kemudian di sela-sela kedua elektroda ditambah 2 tetes larutan elektrolit iodin/iodida. Salah satu sisi elektroda kemudian dijepit dengan klip binder. Pembuatan Variasi Rangkaian Sel surya pewarna tersensitasi sebanyak empat buah dihubungkan satu dengan yang lain dengan menggunakan kabel dan penjepit hingga terbentuk rangkaian seri empat buah sel surya pewarna tersensitasi. Dilakukan prosedur yang sama untuk membentuk tiga macam rangkaian sel surya. RANGKAIAN 1
RANGKAIAN 2
RANGKAIAN 3
RANGKAIAN 4
Pengukuran Arus dan Tegangan Penyinaran Cahaya Matahari secara Langsung Sel surya dihubungkan dengan kabel voltmeter pada kedua sisinya dengan kutub (+) adalah elektoda pembanding, dan kutub (-) adalah elektroda kerja. Sel surya yang telah terangkai dengan kabel, kemudian disinari dengan cahaya matahari secara langsung. Diukur arus dan tegangan maksimum. Kemudian diukur pula arus keluaran dengan menentukan luas area aktif dari sel surya. Penyinaran Matahari Secara Tidak Langsung Prosedur yang sama dilakukan seperti pada 3.2.4.1, tetapi dilakukan di dalam ruang terbuka dengan penyinaran cahaya matahari secara tidak langsung (dalam ruangan). HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Persiapan Material Penyusun Sel Surya Pewarna Tersensitisasi Substrat Substrat kaca penghantar diperoleh dari Hartford Glass, Inc, Indiana. Substrat kaca penghantar untuk elektroda tersebut dibuat dari kaca soda gamping yang telah dilapisi dengan oksida penghantar transparent dari bahan fluorin yang didoping timah(II)oksida. Elektroda tersebut memiliki resistivitas antara 18-24 ohm per cm2 dengan ketebalan lapisan sebesar 8 Angstrom. Oksida penghantar tersebut dilapiskan pada salah satu sisi kaca dengan menggunakan teknik pelapisan uap secara kimia atau “chemical vapour deposition”(CVD). Substrat kaca penghantar tersebut berperan sebagai pengumpul arus dan sekaligus sebagai struktur pendukung sel dan lapisan pembatas antara sel dengan udara terbuka. Sebelum digunakan dalam rangkaian sel surya pewarna tersensitisasi (SSPT), substrat kaca penghantar tersebut terlebih dulu dicuci dengan etanol untuk membersihkan permukaan kaca dari pengotor – pengotor dan dikeringkan diudara terbuka. Etanol dipilih sebagai bahan pembersih karena selain bersifat dapat melarutkan pengotor – pengotor organic, juga karena etanol lebih mudah menguap diudara terbuka jika dibandingkan dengan air. Hasil Pembuatan Suspensi TiO2 Suspensi TiO2 dibuat dari bubuk TiO2 dari TRONOX. Fase kristalin TiO2 yang digunakan pada Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
percobaan ini adalah fase anatase hal ini disebabkan fase anatase lebih photoactive dari pada fase rutile dan brookite (Park, Lagemaat dan Frank, 2000). Selanjutnya sejumlah tertentu bubuk TiO2 ditambahkan dengan asetil aseton kemudian digrinding dalam mortar. Proses grinding secara mekanik akan memisahkan partikel TiO2 yang teraggregat karena adanya kekuatan pengadukan yang kuat. Penambahan asetil aseton berfungsi sebagai particle stabilizer untuk mencegah reagregasi partikel. Kemudian ke dalam campuran tersebut ditambahkan akuades sambil terus diaduk perlahan untuk membuat koloid lebih cair. Selanjutnya, suspensi TiO2 dikocok dengan menggunakan glass beads di dalam botol untuk memecah partikel TiO2 dan menyeragamkan pencampuran. Surfaktan (Triton X-100) yang dilarutkan dalam aquades ditambahkan ke dalam suspensi TiO2 untuk menurunkan tegangan permukaan sehingga dapat dengan mudah dilapiskan pada permukaan elektroda oksida penghantar. Hasil yang diperoleh dari prosedur diatas disebut sebagai suspensi. Setelah penambahan surfaktan triton x-100, suspensi didiamkan untuk beberapa saat disamping supaya stabil juga untuk menghilangkan gelembung udara atau busa (foaming) yang timbul akibat pengocokan secara mekanik yang dilakukan pada suspensi pada tahap sebelumnya. Rasio perbandingan jumlah TiO2 dengan material cair lainnya merupakan faktor yang cukup penting untuk diperhatikan selama pembuatan suspensi TiO2. Karena jika rasio TiO2 dan material cair terlalu tinggi akan menyebabkan film TiO2 yang dihasilkan menjadi terlalu tebal dan akan cenderung dapat terkelupas dari permukaan kaca penghantar. Sebaliknya jika rasio perbandingannya terlalu kecil, maka film akan menjadi terlalu tipis yang akan berakibat lapisan mudah menguap dan sel surya yang dihasilkan tidak akan cukup kuat untuk menyerap sinar matahari. Hasil pelapisan elektroda TiO2 Selanjutnya suspensi TiO2 yang telah disiapkan dapat dilapiskan pada permukaan substrat kaca penghantar yang nantinya berfungsi sebagai elektroda kerja. Sebelum dilapisi, kaca penghantar yang telah dibersihkan diukur hambatannya dengan menggunakan multimeter dan diperoleh hambatan untuk tiap kaca penghantar yang hendak digunakan berkisar antara 18-24 ohm/cm2. Metode pelapisan yang dipilih dalam penelitian ini adalah metode ”doctor blade” yang menggunakan batang pengaduk untuk meratakan suspensi TiO2 yang sebelumnya telah diteteskan pada kaca penghantar. Pada batas tepi kaca direkatkan selotip yang bertujuan untuk mengontrol ketebalan lapisan TiO2 pada kaca dan sebagai ukuran luasan kaca yang akan dilapisi. Selain itu, batas tepi bekas selotip yang tidak terlapisi suspensi TiO2 tersebut dapat digunakan untuk memasangkan penjepit yang akan dihubungkan dengan sirkuit sehingga sel dapat diukur. Pelapisan suspensi TiO2 pada lapisan kaca penghantar
menggunakan metode ”doctor blade” adalah dengan menggerakkan batang pengaduk secara cepat kearah tepi bawah kaca dan kemudian menggerakkannya kembali kearah berlawanan dengan sebelumnya secara cepat pula. Jika lapisan nampak tidak merata, maka lapisan tersebut dapat dibersihkan dari permukaan kaca dengan menggunakan tissue hingga bersih dan proses pelapisan diulangi lagi. Sesudah proses pelapisan, kaca penghantar yang telah terlapisi TiO2 dibiarkan mengering diudara terbuka selama ± 45 menit. Sesudah mengering, selotip dibuka perlahan – lahan dan permukaan kaca yang tidak dilapisi TiO2 dibersihkan dengan hati – hati menggunakan etanol untuk menghilangkan pengotor yang menempel selam proses pendiaman selama 45 menit. Kemudian elektroda yang telah dibuat tersebut siap untuk disintering. Hasil Sintering Elektroda TiO2 Proses sintering elektroda TiO2 dilakukan pada suhu 450o C selama 30 menit dalam furnace. Sesudah 30 menit, temperatur furnace diturunkan secara perlahan, untuk mencegah terjadi thermal stress dan terkelupasnya lapisan TiO2, kemudian elektroda dikeluarkan dari oven dan dibiarkan pada temperatur ruang. Proses sintering ini bertujuan untuk membentuk porous sehingga terbentuk film TiO2 yang memiliki surface area yang besar (Smestad, 1998) serta membentuk struktur anatase pada TiO2. Selain itu, dengan pemanasan pada suhu tinggi dapat menghilangkan senyawa organik yang terjebak di dalam pori-pori TiO2 dan menjadikan partikel-partikel TiO2 lebih kuat serta dapat menghantarkan listrik. Jika tidak langsung digunakan, elektroda TiO2 ini disimpan dalam desikator. Sebelum dicelupkan dalam zat warna, elektroda TiO2 dipanaskan lagi pada temperatur 70o C. Tujuan pemanasan suhu rendah ini adalah untuk membuka kembali pori – pori TiO2, menghilangkan uap air dari udara yang mungkin masuk ke dalam pori – pori TiO2, sehingga mempermudah adsorpsi zat warna. Hasil persiapan ekstrak zat warna mangsi Zat warna pada buah mangsi diekstrak dengan menggunakan ekstraksi padat cair atau disebut teknik maserasi sederhana. Buah mangsi yang telah ditimbang ditumbuk dalam mortar kemudian direndam dalam etanol dalam tempat gelap. Ekstrak yang diperoleh disaring dengan kertas saring untuk menghilangkan partikel – partikel kasar dari buah mangsi supaya tidak merusak lapisan tipis film TiO2 pada saat dilakukan proses perendaman. Larutan zat warna sebaiknya disiapkan dalam kondisi fresh sesaat sebelum digunakan untuk merendam elektroda TiO2, untuk mencegah kerusakan karena penguapan pelarut ataupun akibat teroksidasi oleh sinar matahari dan udara. Disamping itu, untuk menghindari kerusakan tersebut larutan ekstrak mangsi hendaknya disimpan dalam botol gelap yang tertutup rapat.
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Hasil perendaman elektroda TiO2 dalam ekstrak mangsi Pencelupan elektroda TiO2 dalam ekstrak zat warna bisa dilakukan secara langsung sesudah proses sintering saat elektroda masih hangat atau pada sekitar suhu 70 oC. Hal ini dilakukan untuk mencegah kemungkinan masuknya partikel uap air dari udara ke dalam pori – pori film TiO2. Atau jika tidak segera dilakukan pencelupan, maka sebelum digunakan elektroda TiO2 dapat dipanaskan lagi pada suhu 70 o C selama beberapa waktu. Elektroda dicelupkan kedalam larutan zat warna dengan posisi sisi elektroda yang dilapisi TiO2 berada pada bagian bawah. Proses pencelupan dilakukan selama kurang lebih 24 jam hingga elektroda TiO2 yang sebelumnya berwarna putih akan berubah menjadi keungu-unguan seperti warna larutan ekstrak mangsi akibat proses adsorbsi dye mangsi pada permukaan TiO2. Perbedaan warna ungu yang terjadi pada lapisan TiO2 yang telah direndam dalam zat warna mangsi ini menunjukkan perbedaan ketebalan lapisan TiO2. Sesudah proses pencelupan, elektroda TiO2 dibersihkan terlebih dahulu dari kelebihan zat warna yang menempel disekitar substrat kaca. Hasil pembuatan elektroda pembanding Elektroda pembanding (counter electrode) berfungsi untuk mempercepat reaksi kinetik pada reaksi reduksi I3 pada katoda. Elektroda pembanding dibuat dari substrat kaca penghantar yang dilapisi dengan katalis karbon. Katalis karbon yang digunakan berupa pensil lunak grafit yang digoreskan pada salah satu permukaan kaca penghantar yang dilapisi oksida penghantar. Seluruh permukaan elektroda dilapisi dengan katalis karbon. Pada proses ini, diusahakan tidak terjadi spot. Lapisan tipis karbon berfungsi sebagai katalis untuk reaksi pembentukan triodida menjadi iodida seperti reaksi berikut : I3- (C) + 2e Î 3 IHasil Perangkaian Material Penyusun SSPT
Setelah material penyusun sel siap untuk digunakan, selanjutnya dirangkai menjadi sel surya. Proses perangkaian diawali dengan pencucian elektroda TiO2 yang telah direndam dalam larutan mangsi dan elektroda pembanding porous karbon, dengan etanol dan dikeringkan di udara terbuka. Elektroda TiO2 diletakkan pada bidang datar dengan permukaan yang telah dilapisi TiO2 menghadap ke atas, kemudian diatasnya diletakkan elektroda pembanding dengan posisi berhadapan. Larutan elektrolit diteteskan di sela-sela kedua elektroda, hingga larutan tersebut menyebar di sela-selanya. Sel disatukan dengan menggunakan klip binder.
+ Multimeter
-
Arus (i) atau Tegangan (V)
meningkatkan nilai tegangan maka sel surya pewarna tersensitisasi dihubungkan secara seri pada rangkaian listrik sederhana sedangkan untuk meningkatkan arus, sel surya pewarna tersensitisasi dihubungkan secara paralel pada rangkaian listrik sederhana. Arus dan tegangan daya maksimum diperoleh menggunakan karakterisasi kurva I-V. 700 ran gkai an 1
600 densitas arus (μ A/cm2)
Hasil Keluaran Preparasi Sel Surya Pewarna Tersensitisasi (SSPT) Hasil pengukuran arus dan tegangan Arus dan tegangan diukur di bawah iluminasi sinar matahari secara langsung (outdoor) dan tidak langsung (indoor). Pengukuran dilakukan di Badan Meteorologi dan Geofisika Bandar Udara Juanda. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data intensitas sinar matahari yang diserap oleh SSPT pada saat pengukuran. Pengukuran dilakukan dengan multimeter dengan rangkaian seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 dan Gambar 2.
500
ran gkai an 2
400 300
ran gkai an 3
200
ran gkai an 4
100 0 Gambar 1 Diagram Sirkuit untuk Voc dan Isc Pengukuran arus maksimum atau arus sirkuit pendek (Isc) dan tegangan maksimum atau tegangan sirkuit terbuka (Voc) didasarkan pada rangkaian seperti Gambar 4.2. Rangkaian tersebut menggunakan satu buah multimeter yang dioperasikan sebagai amperemeter atau voltameter. Sedangkan untuk mendapatkan kurva I-V dapat dilakukan pengukuran seperti Gambar 2. Kurva I-V digunakan sebagai karakterisasi pada sel surya pewarna tersensitisasi. Dari kurva I-V akan diketahui performa SSPT. Pengukuran kurva I-V pada penelitian ini menggunakan sel surya sebanyak empat buah. Kemudian keempat sel disusun membentuk rangkaian 1, rangkaian 2, rangkaian 3 serta rangkaian 4. Multimeter yang digunakan sebanyak dua buah, yang difungsikan sebagai amperemeter dan voltameter. Penggunaan potensiometer bertujuan untuk mengubah hambatan selama proses pengukuran arus dan tegangan. Potensiometer yang digunakan mempunyai hambatan sebesar 500 ohm.
0
500
1000
Tegangan (mV) Keterangan: • R1 rangkaian 1 • R2 rangkaian 2 • R3 rangkaian 3 • R4 rangkaian 4 Gambar 3 kurva I-V Arus rangkaian pendek (Isc) yang paling tinggi dari empat macam bentuk rangkaian yang terdiri dari empat buah sel surya didapatkan pada rangkaian 4 yang merupakan rangkaian paralel empat sel surya yaitu sebesar 2520 µA. Pada rangkaian 4, keempat SSPT dihubungkan secara paralel sehigga hambatan total pada rangkaian menjadi lebih kecil sesuai dengan persamaan 4.1. Hal ini menyebabkan pada rangkaian 4 harga arus yang dihasilkan lebih besar dari pada rangkaian lainnya. Rtot= (4.1) .
sin ar
Gambar 2 Diagram Sirkuit untuk Kurva I-V Arus dan tegangan yang dihasilkan dari susunan rangkaian sel surya pewarna tersensitisasi dipengaruhi oleh susunan SSPT pada rangkaian tersebut. Untuk Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
1500
/
Sedangkan arus rangkaian pendek (Isc) yang paling rendah didapatkan pada rangkaian 1 yaitu sebesar 1130 µA(Gambar 3). Pada rangkaian 1, keempat SSPT dirangkai seri sehigga hambatan total pada rangkaian menjadi lebih besar sesuai dengan persamaan 4.2. Sehingga arus yang dihasilkan kecil. Rtot = R1 + R2 + R3 + ....+Rn (4.2) Tegangan rangkaian terbuka (Voc)tertinggi dari empat macam rangkaian diperoleh pada rangkaian 1 yaitu sebesar 1030 mV sedangkan tegangan rangkaian terbuka (Voc) terendah didapatkan pada rangkaian 4 yaitu sebesar 244,4 mV. Pada rangkaian 1
Efisiensi (%)
0,3 0,2 0,1 0
Gambar 4 Pengaruh P ranggkaian terhadaap efisiensi (% %) kuran terhad dap Pengaruh Lama Waktu Penguk Efisiensi Sel S Surya Pew warna Tersen nsitisasi Pada penelitian ini dilakukkan pengukuuran sebanyak liima kali selam ma lima hari untuk u mengetaahui pengaruh lama l waktu pengukuran p teerhadap efisieensi sel suryaa pewarna tersensitasii. Gambar 5 menunjukkkan ketahanann SSPT yangg dirangkai pada p Prosiding KIM MIA FMIPA - ITS
0,25 0,2
Rangkaian 1
0,15
Rangkaian 2
0,1 0,05
Rangkaian 3
0
Rangkaian 4
hari 1 hari 2 hari 3 hari 4 hari 4 hari 5
Efisiensi (%)
Pengaruh hubungan seri-paralell SSPT dallam rangkaian terhadap efiisiensi Efissiensi sel suurya merupakkan daya yang y dihasilkan sel (Pmax) dibagi dayaa cahaya yang diiluminasiikan pada arrea tertentu dari d sel (Pcahhaya) (Halme, 2002). 2 Efisieensi sel surrya dipengarruhi kualitas illuminasi yanng diterima oleh sel surrya. Apabila iluuminasi yang diterima d sel suurya bagus maka m arus dan tegangan t yanng dihasilkann oleh sel suurya tinggi. Apaabila sel suryaa dapat menghhasilkan arus dan tegangan yang y tinggi maaka daya yangg dihasilkan akan a tinggi pula. Efissiensi teringgii pada empat macam susunan rangkaian sel s surya didaapatkan pada rangkaian r 3 yang y merupakann dua rangkkaian seri sel s surya yang y dipararel. Rangkaian R 3 menghasilkann arus rangkaaian pendek (Isc) sebesar 20000 µA, arus daya maksim mum sebesar 265µA/cm2, tegangan t ranngkaian terbuka (Voc) sebeesar 637 mV, dan d tegangan daya maksim mum sebesar 3088 mV. Sehinggga daya yangg dihasilkan pada p rangkaian 3 adalah sebesar 0,08162mW/c 0 cm2. Berdasarkaan dari data arus a dan teganngan pada em mpat macam ranngkaian yang diperlakukann pada intenssitas iluminasi yang y sama didapatkan d effisiensi tertinnggi yaitu sebessar 0,21036% pada rangkaiaan 3.
empat e rangkaiian yang berbbeda mengalam mi penurunann signifikan s padda hari ketigga. Hal ini terlihat padaa permukaan p lappisan TiO2 yanng berwarna ungu u berubahh menjadi m pudaar.perubahan ini disebab bkan adanyaa degradasi d zat warna w yang beerasal dari buaah mangsi. Zat warna w yang terrdegradasi oleeh penyinarann cahaya c akan mengakibatka m an berkurangn nya arus yangg dihasilkan d oleeh SSPT terssebut. Hal in ni disebabkann gugus g kromoofor pada zaat warna russak sehinggaa sumber s elekktron yang akan tereeksitasi jikaa mengabsorb m f foton menjadi berkurang akibat reaksii fotooksidasi f deengan oksigenn singlet. Degraadasi zat warnna pada sel su urya pewarnaa teersensitisasi dapat dikurrangi dengan n melakukann penyimpanan p SSPT dalam ttempat gelap segera s setelahh melakukan m penngukuran.
Gambar G 5 Penngaruh lama w waktu penguku uran terhadapp efisiensi e Pengaruh P Pen nyinaran terh hadap Efisien nsi SSPT Pada penelitian p inni dilakukan pengukurann SSPT S pada peenyinaran olehh matahari seccara langsungg (outdoor) dan penyinaran ooleh mataharii secara tidakk laangsung atau di dalam ruanngan (indoor)). Pengukurann penyinaran p olleh matahari secara langssung maupunn tiidak langsungg dilakukan aantara pukul 11.00 hinggaa 13.00. 1 Hal ini bertujuan unttuk mendapatk kan intensitass cahaya c matahaari maksimum m. Pengukuran n dilakukan dii dekat d alat penggukur intensittas matahari (pyranometer) ( ) yang y terdapat pada Badan M Meteorologi dan d Geofisikaa Juanda. J
Efisiensi (%)
sumber teggangan dalam m hal ini sell surya pewaarna tersensitisaasi disusun serri, jika sumbeer tegangan pada p seri suatu ranggkaian listrik sederhana dihubungkan d satu dengaan laiannya maka m tegangaan keluaran tootal dari rangkkaian tersebuut merupakaan jumlah dari d keseluruhann tegangan yang y dihasilkkan oleh sum mber tegangan tersebut t (Bhaattacharaya, 1997), sedangkan pada rangkkaian 4 sumbber tegangan disusun parralel sehingga teegangan pada setiap cabangg pada rangkaaian adalah sam ma. Hal ini sesuuai dengan huukum kirchhoff 2 yang mennyatakan bahhwa jumlah aljabar seluuruh tegangan yang y mengellilingi sebuahh jalan tertuutup (loop) dalaam sebuah raangkaian adallah nol sehingga tegangan yang y melalui setiap elemen adalah idenntik (Hayt, 19855).
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
outdoor indoor
Gambar G 6 Penngukuran efissiensi outdoo or dan indoorr pada p hari peertama
Pada gambar 6 menunjukkan pengaruh penyinaran langsung (outdoor) dan penyinaran tak langsung (indoor). Perbedaan nilai efisiensi yang dihasilkan pada kedua penyinaran disebabkan jumlah intensitas yang diterima oleh SSPT jauh berbeda. Hal ini dikarenakan intensitas radiasi matahari dalam ruangan banyak berkurang karena terhalang oleh struktur bangunan ruangan, sehingga hanya sebagian kecil foton yang dapat mengeksitasi elektron pada keadaan dasar (ground state) zat warna mangsi. Analisis Zat Warna Zat warna yang digunakan dalam penelitian ini adalah ekstrak buah mangsi yang telah matang. Uji kualitatif terhadap ekstrak buah mangsi untuk digunakan sebagai fotosensitizer adalah dengan menggunakan FeCl3 dan asam sulfat pekat. Uji kualitatif menunjukkan bahwa ekstrak buah mangsi mengandung senyawa flavonoid. Adanya senyawa flavonoid dalam ekstrak mangsi mempunyai kecenderungan untuk dapat menyerap (mengabsorb) sinar tampak, yaitu pada 400 nm – 700 nm. Senyawa flavonoid mengandung gugus kromofor atau adanya ikatan rangkap yang terkonjugasi. Selain itu, syarat pemilihan zat warna dalam SSPT adalah adanya gugus karbonil (C=O) atau gugus hidroksil (-OH) yang bertindak sebagai ligan pada sisi Ti(IV) pada permukaan TiO2. Hasil analisa IR pada Gambar 7 menunjukkan adanya serapan karbonil pada bilangan gelombang 1640 cm-1 dan adanya serapan pada 3475 cm-1 yang merupakan daerah serapan gugus hidroksil.
Gambar 7 Spektra IR untuk ekstrak mangsi KESIMPULAN
Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini berdasarkan analisa data dan pengamatan adalah efisiensi konversi energi listrik pada rangkaian SSPT dipengaruhi oleh hubungan seri-paralel SSPT tersebut. Efisiensi konversi energi listrik yang dihasilkan oleh rangkaian 1, rangkaian 2, rangkaian 3 dan rangkaian 4 masing-masing sebesar 0,1619%, 0,1285%, 0,2103% dan 0,1325%. Efisiensi rangkaian sel surya pewarna tersensitasi tertinggi dihasilkan pada waktu pungukuran hari pertama dan mengalami penurunan signifikan pada hari ketiga. UCAPAN TERIMA KASIH
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena dengan ridhonya penulis dapat menyelesaikan naskah tugas akhir ini tepat pada waktunya. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
orang tua atas doa dan segala dukungan yang telah diberikan, Prof.Dr.Syafsir Akhlus selaku dosen pembimbing yang telah memberi arahan, diskusi, saran, dan bimbingan dalam tugas akhir ini, dan semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu. DAFTAR PUSTAKA
Akhlus, Syafsir, (2007), “Pidato Pengukuhan Guru Besar: Ilmu Fotokimia sebagai Pemadu Energi dan Materi dalam Perspektif Kimia Fisika: Teori dan Aplikasi”, ITS, Surabaya Bhattacharaya, Pallab, (1997), “Semiconductor Optoelectronic Devices”, Prentice Hall International, Inc., New Delhi Grätzel, Michael, (2007), “DSC Technology- The First 17 Years and Beyond”, DSC – IC 2, 9.11-9.13, St. Gallen, Switzerland Halme, J., (2002), “Dye-Sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells: Technical Review and Preeleminary Test”, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland Hayt, H.W, Kemmerly, J.E, (1981), “Rangkaiaan Listrik”, Jilid 1, Erlangga, Jakarta LoCascio, Michael, (2002), “Application of Semiconductor Nanocrystals to Photovoltaic Energy Conversion Devices”, Technical White Paper, Troy, New York Malvino, B., Tjia, (1986), “Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor penghantar Transistor dan Rangkaian Terpadu”, Erlangga, Jakarta Mayo, Elizabeth I., (2004), “ Kinetics and Thermodynamics of Dye (Group VIII Metal)- Sensitized Nanocrystalline Titanium Dioxide Photoelectrodes”, Thesis PhD, California Institute of Technology, Pasadena, California Smestad, G., et al., (1994), “Testing of Dye-Sensitized TiO2 Solar Cells I: Experimental Photocurrent Output and Conversion Efficiencies”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 32, 3, 259-272 BIODATA PENULIS Penulis bernama Kholid Ramadhani lahir di Sidoarjo, tanggal 29 April 1987. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu TK Aisyah, SD Muhammadiyah 2 Taman, SMP YPM 1 Taman, dan SMA Wachid Hasyim 2 Taman Sidoarjo. Pada tahun 2005, penulis diterima sebagai mahasiswa di Jurusan Kimia FMIPA ITS. Di jurusan ini, penulis mengambil bidang studi Kimia Fisik dengan judul “Pengaruh Hubungan Seri-Paralel pada Rangkaian Sel Surya Pewarna Tersensitisasi
(SSPT) Terhadap Efisiensi Konversi Energi Listrik” dibawah bimbingan Prof. Dr. Syafsir Akhlus, MSc. Latar belakang organisasi yang pernah saya ikuti diantaranya HIMKA (Himpunan Mahasiswa Kimia) sebagai staf Kaderisasi tahun 2006-2007dan staf Kewirausahaan tahun 2007-2008. Penulis juga pernah menjabat dalam beberapa kegiatan diantaranya adalah menjadi ketua panitia kegiatan chemistry week 2006 dan study excursie 2009.
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
