Analisis Pemanfaatan Anthocyanin Tumbuhan Tropis Sebagai Sensitizer Pada Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) Catur Hilman Adritya 1, Aminatus Sa’diyah 2,* 1,2
Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya * Email:
[email protected],
[email protected]
Abstrak. Natural dye merupakan sensitizer alternatif terhadap ruthenium complex yang memiliki kemampuan berikatan baik dengan semikonduktor karena memiliki ikatan carboxylate, namun mahal secara komersial dan rumit dalam proses sintesis untuk pembuatan sel surya organik. Telah dikaji beberapa penelitian Dye-Sensitized Solar Cell dari ekstraksi bunga rosella, buah naga, dan daun delima. Anthocyanin adalah pigmen warna pada tumbuhan yang mempunyai spektrum karakteristik absorbsi terhadap foton yang mampu mengeksitasi elektron pada molekul dye. Semakin banyak elektron yang tereksitasi maka arus yang timbul semakin besar, sehingga efisiensi DSSC yang dihasilkan semakin besar. Ekstraksi bunga rosella menghasilkan efisiensi 0.37%, buah naga 0,22%, dan daun delima 0,597%. Efisiensi tertinggi terdapat pada ekstraksi chlorophyll daun delima. Kata kunci: dye-sensitized solar cell, anthocyanin, efisiensi.
PENDAHULUAN DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi sinar tampak menjadi energi listrik, berdasarkan sensitivitas lebar bandgap dari bahan semikonduktor [1]. Performansi dari sel sangat bergantung pada penggunaan dye sebagai sensitizer. Spektrum absorbsi dan ikatan dye dengan permukaan TiO2 merupakan parameter penting untuk menentukan efisiensi sel [2]. Secara umum, ikatan koordinasi pada logam transisi digunakan sebagai sensitizer yang efektif, menurut intensitas absorbsi pada transfer muatan disemua daerah sinar tampak dan transfer muatan logam menuju ligand dengan efisiensi yang tinggi [3]. Bagaimanapun keadaan kompleks dari ruthenium polyprylyl mengandung logam berat yang kurang menguntungkan jika dilihat dari aspek lingkungan [4]. Selain itu, proses pembuatannya rumit dan mahal. Sebagai alternatif, dye dari bahan alami (natural) dapat digunakan untuk tujuan yang sama dengan efisiensi yang memenuhi [2-9]. Keuntungan dari natural dye diantaranya adalah ketersediaannya dan harganya yang murah [3]. Sensitivitas dari lebar bandgap suatu bahan semikonduktor yang menggunakan pigmen natural biasanya dipengaruhi oleh anthocyanin [2-9]. Anthocyanin merupakan sekumpulan natural dye dengan berbagai warna didaerah merah-biru, dapat dijumpai pada buah, bunga, dan daun. Sekumpulan karbonil dan hidroksil yang terdapat pada molekul anthocyanin dapat berikatan dengan lapisan permukaan TiO2 yang berpori. Hal ini menyebabkan perpindahan elektron dari molekul anthocyanin
menuju pita konduksi TiO2 [3] Seperti yang telah dilaporkan [2-9], anthocyanin dari berbagai tanaman memiliki sensitivitas yang berbeda. Pada paper ini, DSSC dibuat menggunakan natural dye yang diekstrak dari bunga rosella (Hibiscus sabdariffa L sebagai sensitizer, karena ketersediaannya yang cukup melimpah di negara tropis, dan memiliki kandungan anthocyanin yang besar [10,11]. Selain itu juga dipakai buah naga dan daun delima. Efisiensi sel surya berhubungan dengan struktur dye. Hal ini merupakan informasi yang sangat berguna dalam pemilihan anthocyanin untuk sintesis dye pada DSSC.
KOMPONEN DAN PRINSIP KERJA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC merupakan sel surya fotoelektrokimia sehingga digunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO2, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan TiO2, dan katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca konduktif.
FIGURE 1. Struktur DSSC[1]
Pada bagian atas dan alas sel surya berupa kaca yang dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide) umumnya SnO2, yang berfungsi sebagai elektroda dan counter elektroda. Pada TCO counter elektroda dilapisi katalis berupa Platinum (Pt) untuk mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit (I3-). Pasangan redoks yang umunya dipakai yaitu I-/I3- (iodine/triiodida). Pada permukaan TCO elektroda lainnya dilapisi oleh nanopori TiO2 dengan dye yang teradsorbsi pada pori-pori TiO2. Bahan dye yang umum digunakan adalah ruthenium complex, sensitizer yang mampu berikatan baik dengan semikonduktor karena memiliki ikatan carboxylate, namun bernilai mahal secara komersial dan rumit dalam proses sintesis pada pembuatan sel surya organik [15].
Berikut persamaan reaksi kimia pada DSSC [12]: Anode
(TCO layer) :
S h S S
*
2S
S
3I
Katode
*
(1)
e ( TiO
2
)
(2)
2S I3
(3)
(TCO layer with
I 3 2 e ( Pt ) 3 I
Pt) :
(4)
Cell :
e ( Pt ) h e ( TiO
2
)
(5)
Karakteristik sel surya berupa grafik non-linier I-V. Daya listrik yang dihasilkan sel surya diperoleh dari kemampuan sel tersebut untuk menghasilkan tegangan ketika diberi beban, dan arus yang dihasilkan ketika memalui beban pada waktu yang sama.
FIGURE 3. Karakteristik I-V Sel Surya
FIGURE 2. Prinsip Kerja DSSC[12]
Prinsip kerja DSSC adalah sebagai berikut. 1. Proses diawali dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton dari keadaan ground state (S) menuju excited state (S*). 2. Energi dari foton tersebut cukup untuk menginjeksi elektron masuk ke pita konduksi dari TiO2 meninggalkan molekul dye ke keadaan oksidasi S+. 3. Kemudian elektron mengalir menuju anode (elektroda negatif) melalui TiO2 dengan proses difusi. Selanjutnya melalui external load menuju katode (elektroda positif). 4. Pada katode, elektron berpindah menuju triiodida pada elektrolit menghasilkan iodine. 5. Siklus dilanjutkan dengan reduksi dye oleh iodine pada elektrolit.
FIGURE 4. Fill Factor sel surya
Karakteristik lainnya dari sel surya adalah fill factor (FF) yaitu perbandingan daya maksimum (Pmax) terhadap daya teoritis (PT). FF
I m ax .V m ax
(6)
I sc .V oc
Efisiensi sel surya didefinisikan sebagai perbandingan daya yang dihasilkan terhadap daya input cahaya yang mengenai sel surya.
P m ax Pin
(7)
PEMBAHASAN Paper ini menjelaskan spektrum karakteristik absorbsi, dan efisiensi sel surya yang dihasilkan dari ekstraksi natural dye dari bunga rosella, buah naga,dan daun delima. Spektrum Karakteristik Absorbsi Untuk mengetahui spektrum absorbsi masingmasing bahan digunakan alat Ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis).
(a)
menunjukkan level absorbsi yang baik diantara 450600 nm. Spektrum tersebut akan merefleksikan campuran warna merah dan biru (hampir menyerupai ungu) dibawah cahaya putih [13]. Pada gambar 5(c) menunjukkan spektrum absorbsi ekstraksi daun delima dan dye N719 (ruthenium). Range absorbsi pada N719 antara 400-600 nm; range absorbsi pada chlorophyll antara 400-500 nm dan 600750 nm. Sehingga absorbsi dye chlorophyll lebih baik pada panjang gelombang 400-450 nm, tapi pada 500600 nm absorbsi N719 lebih baik dari pada chlorophyll [15].
(a)
(b)
(b) (c) FIGURE 5. Spektrum absorbsi dye (a) bunga rosella[14]; (b) buah naga[13]; (c) daun delima[15]
Tujuan dari pengukuran ini adalah untuk mengetahui spektrum karakteristik absorbsi yaitu rentang panjang gelombang cahaya yang mampu diserap baik oleh suatu bahan. Gambar 5(a) menunjukkan range absorbsi fotoanoda pada ekstraksi bunga rosella lebih luas dari dye solutions yaitu 520-570 nm dan memiliki puncak absorbsi pada 520 nm. Dye solutions merupakan ekstraksi murni dari bahan organik sebelum teradsorb pada permukaan TiO2 [14]. Spektrum panjang gelombang pada buah naga mempunyai range 400-900 nm ditunjukkan pada gambar 5(b). diketahui bahwa dye buah naga memiliki puncak absorbsi pada 535 nm. Buah naga
(c) FIGURE 6. Struktur Kimia dye (a) delphinidin dan cyanidin rosella[14]; (b) betacyanin buah naga[16]; (c) chlorophyll a & b daun delima[17]
Perbedaan spektrum karakteristik absorbsi ini ditentukan oleh anthocyanin masing-masing dye, anthocyanin pada bunga rosella adalah delphinidin dan cyanidin [14], betacyanin pada buah naga [16], serta chlorophyll pada daun delima [15]. Struktur kimia masing-masing molekul dye diatas mempunyai gugus R (carbonyl dan hydroxyl) yang akan membentuk ikatan dengan lapisan oksida (TiO2) dan pada akhirnya mempermudah transfer elektron dari molekul dye menuju pita konduksi TiO2 [14]. Semakin panjang gugus R maka transfer elektron dari molekul dye menuju pita konduksi TiO2 semakin berkurang. Hal ini disebabkan karena gugus panjang R mengakibatkan terjadinya efek steric hindrance, yaitu penghambatan anthocyanin untuk membentuk ikatan dengan permukaan oksida dan mencegah pembentukan molekul pada film TiO2 secara efektif.
efisien dan lingkungan adsorbsi dye yang bersifat asam [18]. Transfer muatan antara TiO2, dye, dan elektrolit pada hambatan permukaan dapat menurunkan rapat arus Jsc. Sehingga dengan menambahkan gugus R seperti karboksil dan mengoptimalkan struktrurnya dapat meningkatkan efisiensi DSSC [19].
KESIMPULAN Dari analisis yang sudah dilakukan dapat disimpulkan bahwa: 1. Efisiensi ekstraksi daun delima lebih tinggi dibandingkan bunga rosella dan buah naga. 2. Panjang dan jumlah gugus R pada anthocyanin dye mempengaruhi efisiensi DSSC.
Karakteristik Dye-Sensitized Solar Cell Berikut karakteristik DSSC yang dihasilkan dari ekstraksi masing-masing dye yang meliputi rapat arus (Jsc), tegangan open-circuit (Voc), fill factor dan efisiensi. TABLE 1. Karakteristik Dye-Sensitized Solar Cell. Dye Jsc Voc FF η (mA/cm2) (V) (%)
ref
Rosella
1.63
0.404
0.57
0.37
[14]
Buah naga
0.20
0.220
0.30
0.22
[13]
Daun delima
2.05
0.560
0.52
0.59
[15]
Tabel 1 menunjukkan efisiensi daun delima 0.59% dengan tegangan open-circuit 0.56 Volt, kerapatan arus 1,63 mA/cm2 serta fill factor 0.52%. Ekstraksi buah naga menghasilkan efisiensi 0.22%, Voc 0.22 Volt, Jsc 0.2 mA/cm2, dan FF 0.30%. Sedangkan ekstraksi bunga rosella menghasilkan efisiensi 0.37%, Voc 0.404 Volt, Jsc 1.63 mA/cm2, serta FF 0.57%. Dari data diatas efisiensi DSSC terbaik diperoleh dari ekstraksi daun delima karena struktur molekul chlorophyll memiliki gugus R yang lebih pendek dari yang dimiliki dephinidin dan cyanidin pada bunga rosella dan betacyanin pada buah naga. Efisiensi DSSC menggunakan natural dye lebih rendah dari 1% dengan range antara 0.22% hingga 0.59% seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. Hal ini karena interaksi antara TiO2 dan dye sangat berpengaruh terhadap efisiensi DSSC. Hal ini dapat terjadi jika jalur rekombinasi kation/elektron dye tidak
REFERENSI 1. M. Gratzel, “Review Dye-Sensitized Solar Cells”, Journal of Photochemistry and Photobiology C, vol. 4, 2003, pp.145-153. 2. K.Tennakone,G.R.R.R.A.Kumara,A.R.Kumarasinge, P.M. Sirimanne, K.G.U. Wijayantha, Journal of Photochemistry and Photobiology, A 94, 1996, 217. 3. S. Hao, J.Wu,Y.Huang,J.Lin, Solar Energy 80, 2006, 209. 4. Y.Amao, T.Komori, Biosensors Bioelectron 19, 2004, 843. 5. A.S.Polo, N.Y.Iha, Solar Energy Mater Solar Cells 90, 2006, 1936. 6. C.G.Garcia, A.S.Polo, N.Y.Iha, Journal of Photochemistry and Photobiology A 160, 2003, 87. 7. G.P.Smestad, Solar Energy Mater Soalr Cells 55, 1998, 157. 8. G.R.A.Kumara, S.Kaneko,M.Okuya,B.OnwonaAgyeman, A.Konno, K.Tennakone, Solar Energy Mater Solar Cells 90, 2006, 1220. 9. N.J.Cherepy, G.P.Smestad, M.Gratzel, J.Z.Zang, Journal Physics and Chemistry B 101, 1997, 99342. 10. T.Frank, J.Clin, Pharmacol 45, 2005, 203. 11. N.Terahara, N.Saito, T.Honda, K.Tokis, Y.Osajima, Journal of Photochemistry 29, 1990, 949. 12. J.Halme, “Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary test”, Thesis, Helsinky University of Technology, Department of Engineering Physics and Mathematics, 2002. 13. R.A.M. Ali, M.Nayan, “Fabrication and analysis of dye-sensitized solar cell using natural dye extracted from dragon fruit”, International Journal of Integrated Engineering. 14. K. Wongcharee, V. Meeyoo, S. Chavadej, “DyeSensitized solar cell using natural dyes extracted from rosella and blue pea flowers”, Journal of Solar Energy Materials & Solar Cells 91,2007,pp. 566-571.
15. H. Chang, Y. J.Lo, “Pomegranate leaves and mulberry fruit as natural senstizers for dye-sensitized solar cells”, Journal of Solar Energy 84, 2010, pp.1833-1837. 16. Y.Khalida, BT.Riazuddin, “A Comparative Study On The Extraction Of Betacyanin In The Peel And Flesh Of Dragon Fruit”, Project Report, Faculty of Chemical and Natural Resources Engineering, Universiti Malaysia Pahang, 2010. 17. D.M.Krempels, “Photosynthesis: The Breath of Life”, Lecture 10 18. G.Calogero, G.D.Marco, S.Cazzanti, S.Caramori, R.Argazzi, A.D.Carlo, et al, “Efficient dye-sensitized solar cells using red turnip and purple wild Sicilian prickly pear fruits”, International Journalof Molecular Sciences, 2010, 11:254-67. 19. Zhou H, Wu L, Gao Y, Ma T, “Dye-sensitized solar cells using 20 natural dyes as sensitizers”, Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry, 2011, 219:188-94.
