Dewi Mustikasari, Agus Supriyanto, Risa Suryana

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

Vol.01, No. 02, Juli 2013

Karakteristik Lapisan TiO2 Metode Spray dalam Dye-Sensitized Solar Cell Dewi Mustikasari, Agus Supriyanto, Risa Suryana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Jl.Ir. Sutami 36 A Kentingan, Surakarta 57126 e-mail: [email protected] Diterima (31 Mei 2013), direvisi (14 Juni 2013) Abstract. Characteristic of TiO2 layers which was produced by spray method using airbrush equipment in the Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) were investigated from TiO2 surfaces morphology and I-V characteristics of DSSC. Spray application rate varied into 20, 40, and 60 times. Annealing temperature variation of TiO2 layers for each spray amount variation were 300ºC, 400ºC, and 500ºC, respectively. Dye was extracted from Spirulina sp chlorophyll which was used as sensitizer on the DSSC structures. The I-V characteristics of DSSC indicated that spray and temperature variation of TiO2 layers form diode characteristic curves. Generally, annealing temperature of 400ºC had Voc value higher than annealing temperature of 300ºC and 500ºC. The magnitude of Voc value was closely related with TiO2 high absorption to dyes. Furthermore, grain agglomeration models of TiO2 at 400ºC estimated that electrons diffused in TiO2 and then succeeded to attain the work electrode more than agglomeration models at 300ºC and 500ºC. Keyword : TiO2, DSSC, spray, I-V characteristics, Voc Abstrak. Karakteristik lapisan TiO2 hasil metode spray dari alat airbrush dalam Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) dipelajari dari morfologi permukaan TiO2 dan karakteristik I-V DSSC. Variasi jumlah spray adalah 20, 40, dan 60 kali dengan variasi temperatur annealing lapisan TiO2 yang digunakan untuk masing-masing spray adalah 300ºC, 400ºC, dan 500ºC. Dye berasal dari klorofil Spirulina Sp yang digunakan sebagai sensitizer pada struktur DSSC. Karakteristik I-V dari DSSC menunjukkan bahwa variasi spray dan temperatur lapisan TiO2 membentuk kurva karakteristik dioda. Secara umum temperatur annealing 400ºC memiliki nilai Voc yang besar dibandingkan dengan temperatur annealing 300ºC dan 500ºC. Besarnya nilai Voc berkaitan erat dengan daya serap TiO2 terhadap dye yang besar. Selain itu, model agglomerasi butiran TiO2 pada 400ºC memperkirakan bahwa elektron yang berdifusi dalam TiO2 dan berhasil mencapai elektroda kerja lebih banyak dibandingkan dengan model agglomerasi pada 300oC dan 500oC. Kata kunci : TiO2, DSSC, spray, karakteristik I-V, Voc

PENDAHULUAN Sejak ditemukannya Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) oleh Gratzel pada tahun 1991 (Gratzel, 2003), DSSC men-----------------------------*Coresponding author: E-mail: [email protected]

dapat perhatian yang besar sebagai sumber energi alternatif yang memanfaatkan sinar matahari.DSSC terdiri dari elektroda kerja, elektroda lawan, dye dan elektrolit (O’Regan and Gratzel, 1991). Elektroda kerja berupa substrat transparent conducting oxide (TCO) yang dilapisi nanopartikel TiO2 105

Dewi Mustikasari dkk: Karakteristik Lapisan TiO2 Metode Spray dalam Dye-Sensitized Solar Cell

yang mampu menyerap dye (Shen dan Toyoda, 2004), sedangkan elektroda lawan berupa substrat TCO yang dilapisi oleh karbon (Kakuta, et al, 2009). Dye sebagai zat warna telah banyak digunakan dalam DSSC seperti Spirulina Sp (Amao dan Komori, 2004), betacarotene (Suryana, et al, 2013), bunga rosela (Wongchareea, et al, 2007), ketan hitam (Hao, et al, 2006), dan lain-lain. Elektrolit yang biasa digunakan dalam DSSC adalah Natrium Iodine (Kima, et al, 2005), Lithium Iodine (Shi, et al, 2013), dan Iodine (O’Regan and Gratzel, 1991). Selain dye, TiO2 banyak diteliti karena memiliki peran sebagai media transportasi elektron tereksitasi yang berasal dari dye menuju elektroda kerja (Yamamoto, et al, 2011). Jumlah elektron pada elektroda kerja akan menentukan efisiensi suatu DSSC. Beberapa metode deposisi TiO2 di atas TCO diantaranya yaitu slip casting (Nuryadi, 2011), doctor blade (Liu, et al, 2011), spin coating (Dai et al, 2002) dan spray (Lopez and Jacoby, 2002). Metode-metode tersebut memiliki keunggulan dan kelemahannya masingmasing. Metode slip casting lebih mudah pemakaiannya tetapi ketebalan sampel TiO2 tidak bisa diubah-ubah karena ketebalannya menyesuaikan ketebalan selotip yaitu sekitar 50 µm. Metode doctor blade mampu membuat lapisan tipis sekitar 15 µm tetapi alat ini masih jarang ditemui dan harganya mahal. Homogenitas lapisan dengan metode spin coating hanya sesuai untuk bahan polimer tetapi sulit untuk larutan TiO2. Pada penelitian ini deposisi lapisan TiO2 di atas TCO menggunakan metode spray dengan alat airbrush yang memiliki diameter nozzle sebesar 0,3 mm. Keunggulan metode spray adalah mudah penggunaannya, murah peralatannya, dan ketebalan lapisan TiO2 dapat dikontrol. Namun demikian homogenitas lapisan masih menjadi kendala. Salah satu solusi

106

untuk kendala ini adalah dengan variasi jumlah spray yang juga sekaligus mengontrol ketebalan.Variasi jumlah spray adalah 20, 40, dan 60 kali. Untuk masing-masing jumlah spray, digunakan 3 variasi temperatur annealing yaitu 300ºC, 400ºC dan 500ºC. Selanjutnya lapisan-lapisan TiO2 ini digunakan dalam pembuatan stuktur DSSC. Sifat listrik DSSC tersebut ditentukan dengan menggunakan Keithley I-V meter. METODE PENELITIAN Prosedur penelitian terdiri dari pembuatan lapisan TiO2 di atas TCO dengan variasi jumlah spray dan temperatur annealing, pembuatan komponen-komponen struktur DSSC yang meliputi Spirulina Sp dye, elektrolit, dan elektroda lawan, serta karakterisasi yang meliputi High-ResolutionChargeCoupled Device (CCD) kamera digital dari Atomic Force Microscopy (AFM) Park System XE-70 dan Keithley I-V meter. Prosedur penelitian secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 1. Pembuatan larutan TiO2 dengan etanol (0,25 M)

Deposisi TiO2 diatas FTO dengan metode spray

Variasi spray = 20, 40, 60 kali

Annealing pada temperatur 300ºC, 400ºC dan 500ºC

Pembuatan dye (klorofil) dengan n-hexane 1:30

Karakterisasi morfologi: Kamera AFM

Pembuatan elektroda lawan (karbon)

Pembuatan elektrolit (I-/I3-) Karakterisasi sifat listrik: Keithley (I-V meter)

Fabrikasi DSSC

Gambar 1. Bagan prosedur penelitian


Vol.01, No. 02, Juli 2013

struktur DSSC diukur dengan menggunakan Keithley I-V meter yang dapat menunjukkan karakteristik dioda atau Ohmik. Seperti halnya p-n junction maka DSSC yang baik akan menunjukkan karakteristik dioda. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 2. Susunan struktur sandwich DSSC

Larutan TiO2 (0,25 M) dimasukkan dalam tabung airbrush, kemudian disemprotkan (spray) ke atas substrat TCO. Satu kali spray artinya satu kali usapan TiO2 di atas permukaan TCO. Variasi jumlah spray sebanyak 20, 40, dan 60kali kemudian masing-masing jumlah spray di annealing pada temperatur 300ºC, 400ºC dan 500ºC. TCO terlapisi TiO2 ini digunakan dalam pembuatan DSSC struktur sandwich. Dye Spirulina Sp diperoleh dengan melarutkan klorofil Spirulina Sp dalam nhexane dengan perbandingan 1:30. Elektroda lawan dibuat dengan cara melapisi karbon dari pensil di atas FTO. Sedangkan elektrolit yang digunakan berasal dari 0,8 gr potassium iodine (KI) yang dilarutkan dalam 10 mL polyethylene glycol kemudian diaduk sampai homogen. Setelah itu, ditambahkan 0,127 gr iodine (I2) dan diaduk kembali sampai dengan homogen (Nadeak dan susanti, 2012). Akhirnya, DSSC dengan struktur sandwich dibuat dengan susunan seperti dapat dilihat pada Gambar 2. Sifat listrik

Dari hasil karakteristik menggunakan kamera AFM dan I-V meter, dapat diperoleh morfologi lapisan TiO2 dan kurva karakteristik dioda dari masingmasing jumlah spray dengan temperatur annealing yang berbeda-beda. Gambar 3 menunjukkan morfologi lapisan TiO2 pada 480 µm x 360 µm yang dilihat dengan menggunakan CCD kamera digital AFM (high resolution= 1 µm) untuk masing-masing temperatur annealing dan jumlah spray. Secara kuantitatif, ukuran butir TiO2 tidak dapat ditentukan dari Gambar 3. Namun, secara kualitatif terjadi kecenderungan agglomerasi TiO2 yang bertambah besar dengan naiknya temperatur annealing.Hal ini sesuai dengan teori (Hawa and Zachariah, 2006) yang menyatakan bahwa terjadi difusi butir-butir dan bergabungnya butir-butir tersebut satu sama lain menjadi butiran yang lebih besar (agglomerasi) akibat naiknya temperatur. Dengan demikian, berdasarkan Gambar 3 ini, dibuat suatu model yang menggambarkan proses agglomerasi TiO2 terhadap kenaikan temperatur seperti diperlihatkan pada Gambar 4.

107


Gambar 3. Morfologi lapisan TiO2 menggunakan kamera AFM dengan variasi spray 20, 40, dan 60 kali pada temperatur 300oC, 400oC, 500oC

(a)

KETERANGAN:

elektroda FTO;

(b)

Karbon;

TiO2;

Dye;

Elektrolit;

(c)

arah difusi elektron;

foton, hv;

perpindahan elektron

Gambar 4. Model agglomerasi TiO2 pada temperatur (a) 300oC (b) 400oC dan (c) 500oC

Gambar 4 memodelkan bahwa grain size pada setiap temperatur memiliki agglomerasi yang berbeda-beda. Pada temperatur 300oC, lapisan TiO2 memiliki grain size yang teratur dan terpisah satu sama lain. Elektron eksitasi dari dye diinjeksikan (tanda panah 1) ke pita konduksi TiO2 atau elektron berada

108

dalam TiO2 kemudian elektron tersebut berdifusi dan berpindah ke elektroda kerja (tanda panah 2). Kehilangan elektron pada dye akan diganti oleh elektron hasil redoks elektrolit (tanda panah 3). Banyaknya grain boundary menyebabkan difusi elektron menuju elektroda tidak maksimal (Pang and


Vol.01, No. 02, Juli 2013

Wynblatt, 2006). Pada 400oC beberapa grain bersatu satu sama lain dan agglomerasi membentuk grain yang lebih besar. Dye banyak terserap di atas lapisan TiO2 dan elektron eksitasi banyak juga yang diinjeksikan ke dalam grain TiO2. Sehingga elektron-elektron yang berdifusi menuju elektroda kerja semakin banyak. Elektron-elektron tersebut banyak disumbang oleh grain-grain yang berdekatan dengan elektroda kerja. Sedangkan elektron-elektron yang posisinya relatif jauh dengan elektroda kerja akan terhambat oleh grain boundary ataupun terjadinya rekombinasi elektron-hole. Pada suhu 500oC, terjadi agglomerasi secara menyeluruh sehingga menghasilkan ukuran grain yang lebih luas (Lopez and Biswas, 2010). Keadaan ini disebabkan karena temperatur yang

diberikan pada proses pemanasan TiO2 terlalu tinggi (Kaewwiset, et al, 2008). Jika grain size-nya semakin luas, terjadi kompetisi antara difusi elektron untuk mencapai elektroda dengan terjadinya rekombinasi elektron-hole sepanjang perjalanannya menuju elektroda kerja. Dari ketiga model di atas, diperkirakan bahwa jumlah elektron yang berhasil mencapai elektroda jika diurutkan dari yang terbanyak berdasarkan temperatur annealing adalah pada temperatur 400oC, 300oC, dan 500oC. Hal ini didukung oleh kurva karakteristik I-V DSSC dari masingmasing jumlah spray dengan variasi temperatur yang membentuk dioda dengan arus yang berbeda-beda seperti ditunjukkan pada Gambar 6.

0,0025

0,0025

0,0025

o

500 C

0,002

0,002

o

500 C

0,002

0,0015

0,0015

0,0015 o

0,001

300 C

300 C

0,0005

400o C

o

300 C

0,0005

0,0005

400o C

0

0 -0,5

o

500 C

0,001

o

0,001

0 -0,0005 -0,001

(a)

0,5 Tegangan (V)

1

-0,5

400o C

0

0

0,5 Tegangan (V)

-0,0005 -0,001

1

-0,5

0

0,5

1

Tegangan (V)

-0,0005 -0,001

(b)

(c)

Gambar 6. Karakteristik I–V DSSC dengan jumlah spray (a) 20 kali, (b) 40 kali, dan (c) 60 kali dengan variasi temperatur pada 300ºC, 400ºC dan 500ºC

Berdasarkan Gambar 6, tegangan open circuit (Voc), potensial listrik antara dua elektroda ketika arus sama dengan nol, dapat ditentukan. Urutan nilai Voc dari yang terbesar untuk masing-masing jumlah spray 20, 40 dan 60 kali adalah pada temperatur 400oC, 300oC, dan 500oC. Potensial listrik yang timbul berkaitan erat dengan keberadaan muatan (elektron) pada elektroda. Oleh karena itu, pada temperatur 400oC elektron yang berada di elektroda kerja lebih banyak jika dibandingkan pada 300oC dan 500oC untuk masing-masing jumlah spray.

KESIMPULAN Sifat listrik DSSC dengan lapisan TiO2 dibuat dengan metode spray dan Spirulina Sp dye sebagai sensitizer telah dipelajari dengan pengukuran I-V meter. Temperatur annealing TiO2 pada 400oC untuk masing-masing jumlah spray 20, 40, dan 60 kali mempunyai nilai Voc yang besar dibandingkan dengan temperatur 300oC maupun 500oC. Hal ini sejalan dengan model agglomerasi grain TiO2 yang memperlihatkan difusi elektron yang berhasil mencapai elektroda kerja 109


lebih banyak pada temperatur annealing 400oC daripada temperatur 300oC dan 500oC. DAFTAR PUSTAKA Amao,Y. and Komori, T. (2004). Biophotovoltaic conversion device using chlorine-e6 derived from chlorophyll from Spirulina adsorbed on a nanocrystalline TiO2 film electrode. Journal Biosensors and Bioelectronics. Vol 19, pp 843 – 847. Dai, Q. and Rabani, J. (2002). Photosensitization of Nanocrystalline TiO2 Films by Anthocyanin Dyes. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. Vol. 148. pp 17 – 24. Gratzel, M. (2003). Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Photochemistry and Photobiology. Vol 4, pp 145 – 153. Hao, S., Wu, J., Huang,Y., and Lin, J. (2006). Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell. Journal Solar Cells and Solar Energy Materials. Vol 80. pp 209 – 214. Hawa, T. and Zachariah, M.R. (2006). Coalescence Kinetics of Unequal Sized Nanoparticles. Aerosol Science. Vol. 37, pp 1 – 15. Kaewwiset,W., Onreabroy,W., and Limsuwan, P. (2008). Effect of Annealed Temperatures on the Morphology of TiO2 Films. Journal National Science. Vol. 42, pp 340 – 345. Kakuta, N., Oku, T., Suzuki, A., Kikuchi, K., and Kikuchi, S. (2009). Fabrication and characterization of mixture type dye – sensitized solar cell with organic dyes. Journal of the Ceramic Society of Japan. Vol. 117 No.9. pp 964 – 966.

110

Kima, J. H., Kanga, M., Kima,Y. J., Wonb, J., Kanga, Y. S. (2005). Poly(butyl acrylate) /NaI/I2 electrolytes for dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells. Journal Solid State Ionics. Vol. 176. pp 579 – 584. Liu, Y., Lu, Y., Zeng, Y., Liao, C., Chung, J., and Wei, T. (2011). Nanostructured Mesoporous Titanium Dioxide Thin Film Prepared by Sol-Gel Method for Dye-Sensitized Solar Cell. International Journal of Photoenergy. Vol. 2011, pp. 1 – 9. Lopez, M. and Biswas, P. (2010). Role of the Effective Electrical Conductivity of Nanosuspensions in the Generation of TiO2 Agglomerates with Electrospray. Journal of Aerosol Science. Vol. 41, pp 790 – 804. Lopez, J. E. O. and Jacoby, A. W. (2002). Microfibrous Mesh Coated with Titanium Dioxide: A Self-Sterilizing, SelfCleaning Filter. Journal of the Air & Waste Management Association. Vol 52, pp 1206 – 1213. Nadeak, S. dan Susanti, D. (2012). Variasi Suhu dan Waktu Tahan Kalsinasi terhadap Unjuk Kerja Semikonduktor TiO2 sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Dye dari Ekstrak Buah Naga Merah. Jurnal Teknik ITS. Vol. 1, pp 1 – 6. Nuryadi, Ratno. (2011). Efek Adsorpsi Dye ke dalam Lapisan TiO2 dengan Metode Elektroforesis : DSSC Berbasis Lapisan TiO2 Terbuat dengan Metode Slip Casting dan Metode Elektroforesis. Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan. Vol. 8, No. 1, pp 35 – 40. O’Regan, B., Grätzel, M. (1991), A LowCost, High-Efficiency Solar Cell Based


On Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films. Nature, 335, 737-740. Pang.Y and Wynblatt, P. (2006). Effects of Nb-doping and Segregation on the Grain Boundary Plane Distribution in TiO2. Journal of the American Ceramic Society. Vol 89, pp 666–671. Shen, Q and Toyoda, T. (2004) .Characterization of Nanostructured TiO2 Electrodes Sensitized with CdSe Quantum Dots Using Photoacoustic and Photoelectrochemical Current Methods. Japanese Journal of Applied Physics. Vol. 43, No. 5. pp 2941–2951. Shi, L, Chen T, Chen. C, Cho, K. (2013). Synthesis and Characterization of a GelType Electrolyte with Ionic Liquid Added for Dye-Sensitized Solar Cells. International Journal of Photoenergy. Vol. 2013, pp 1 – 7.

Vol.01, No. 02, Juli 2013

Suryana, R., Khoiruddin, and Supriyanto, A. (2013). Beta-Carotene Dye of Daucus Carota as Sensitizer on Dye-Sensitized Solar Cell. Journal Materials Science Forum Vol. 737 (2013) pp 15-19. Wongchareea,K., Meeyooa,V., and Chavadejb, S. (2007). Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from rosella and blue pea flowers. Journal Solar Energy Materials and Solar Cells.Vol 91. pp 566 – 571. Yamamoto, Y., Kawaraya, M., Segawa, H., Uchida, S., Kano, J., Saito, F., Tsujimoto, K., Saito, T., and Ito, s. (2011). 10% Efficiency Dye-sensitized Solar Cells Using P25 TiO2 Nanocrystalline Electrode Prepared by a Bead-milling Method. Chem. Lett. Vol. 40, pp 1220 – 1222.

111

Dewi Mustikasari, Agus Supriyanto, Risa Suryana

Recommend Documents