FABRIKASI DAN ANALISIS SEL SURYA TERSENSITISASI DYE BERBASIS TiO 2 DENGAN PENGARUH EKSTRAK DAUN BAYAM MERAH SEBAGAI DYE ALAMI

FABRIKASI DAN ANALISIS SEL SURYA TERSENSITISASI DYE BERBASIS TiO2 DENGAN PENGARUH EKSTRAK DAUN BAYAM MERAH SEBAGAI DYE ALAMI Fernando Martua Agustinus, Nji Raden Poespawati Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok 16424, Indonesia E-mail: [email protected]

Abstrak DSSC merupakan sel surya generasi baru. Pengembangannya pada dye akan sangat beragam. Dye dengan menggunakan bahan alami telah menjadi pilihan dalam pembuatan DSSC. Namun, beragam kesulitan muncul pada saat menggunakan dye alami. Salah satunya adalah pemrosesan bahan alami tersebut, seperti untuk melarutkan dan menempelkannya pada DSSC. Tulisan ini menunjukkan perbedaan DSSC dengan dye yang dilarutkan dalam tiga pelarut berbeda, yaitu H2O, CH3COOH dan C2H5OH, serta tanpa pelarut yang mana Voc dan Isc yang terukur lebih baik untuk DSSC tanpa pelarut, yaitu 278 mV dan 62 µA.

FABRICATION AND ANALYSIS OF TIO2-BASED DYE SENSITIZED SOLAR CELL WITH RED SPINACH LEAF EXTRACT EFFECT AS NATURAL DYE Abstract DSSC is the new generation of solar cell. The development of dye will be very varied. Dye using natural ingredient has been choosen for creating DSSC. However, varied difficulties appear from using natural dye. One of them is the processing of its natural ingredient like dissolving and patching it to DSSC. This thesis shows the different of DSSC which is dissolved in three different solvent, that H2O, CH3COOH and C2H5OH, and without solvent which natural dye without solvent measured Voc and Isc is better than anothers with solvent, that is 278 mV and 62 µA. Keyword: DSSC, natural dye, red spinach leaf anthocyanin, dye solvent, TiO2

Pendahuluan Sel surya telah berkembang sejak 1840-an. Bahkan, efek photovoltaic yang menjadi dasar dari sistem kerja sel surya telah ditemukan pada tahun 1839 oleh Becquerel yang menemukan bahwa ada tegangan yang bergantung pada cahaya di antara dua elektroda yang direndam dalam elektrolit [1]. Teknologi ini kini kian berkembang karena memiliki keunggulan dibandingkan dengan penghasil energi listrik yang sudah ada. Pada dasarnya pembangkit listrik membutuhkan sumber energi tak terbarukan, seperti pembangkit listrik berbahan bakar fosil, baterai, aki, dan lain sebagainya. Namun, berbeda dengan pembangkit listrik kebanyakan, sel surya menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan energi sinar matahari yang tidak terbatas, murah, ramah lingkungan, dan mudah didapatkan. Selain itu, tidak ada residu berbahaya hasil pemakaian sel surya yang menimbulkan polusi. Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

Sel surya telah banyak berkembang sejak penemuan Becquerel hingga kini. Pada mulanya, sel surya masih digunakan untuk memenuhi kebutuhan daya yang kecil dan kebutuhan daya luar angkasa. Kini sel surya sudah banyak digunakan untuk kebutuhan daya rumah tangga karena sudah mampu memanfaatkan cahaya yang sampai pada permukaan bumi. Bahkan, sel surya sudah direncanakan untuk menjadi pembangkit listrik skala perkotaan di negara-negara maju. Energi matahari yang sampai ke permukaan bumi bisa mencapai 3 x 1024 Joule per tahun yang jumlah tersebut setara dengan 10.000 kali energi yang dikonsumsi dunia saat ini. Oleh karena itu, cukup dengan menggunakan sel surya berefisiensi 10% yang menutupi permukaan bumi sebesar 0,1% saja sudah bisa mencukupi kebutuhan energi dunia saat ini. Indonesia sebagai negara yang terletak di daerah khatulistiwa dan menerima paparan cahaya matahari setiap tahunnya merupakan negara yang berpotensi memanfaatkan sel surya. Kini teknologi sel surya memasuki perkembangan pada tahap generasi ketiga, yaitu Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) setelah sebelumnya ada sel surya konvensional berbasis semikonduktor dan sel surya thin film. DSSC merupakan sel surya yang dapat menggunakan bahan/material organik tumbuhan sebagai salah satu material dye yang biasa digunakan dalam proses fotosintesis. Meskipun efisiensi DSSC masih belum dapat menyamai teknologi sel surya konvensional, teknologi sel surya ini memiliki kelebihan dibandingkan teknologi sel surya sebelumnya karena biaya pembuatannya murah, pembuatannya lebih mudah, warna alatnya bisa transparan, bentuknya bisa fleksibel sehingga aplikasinya bisa sangat luas. Berhubung teknologi DSSC masih cukup baru, efisiensinya masih belum terlalu besar. Inilah yang menjadi perhatian peneliti di dunia sehingga mendorong penyempurnaan pada desain, fabrikasi, dan penggunaan material yang mendukung naiknya efisiensi DSSC. Penggunaan dye organik turut menjadi perhatian peneliti di dunia. Hal ini disebabkan karena beragamnya kandungan pigmen yang dikandung tumbuhan di dunia, baik itu berasal dari daun, bunga, buah, ataupun akar, bisa dimanfaatkan sebagai dye pada DSSC. Dengan keragaman pigmen yang berasal dari daun, bunga, buah, atau akar satu tumbuhan saja, bisa dibayangkan beragam dye yang bisa diperoleh. Perlakuan terhadap dye sebelum difabrikasi menjadi DSSC juga beragam dari pelarutnya. Perlakuan pelarut yang satu dengan yang lain terhadap satu macam pigmen mempengaruhi kualitas pigmen dan ini juga mempengaruhi kondisi dye organik yang akan dipakai pada DSSC. Kondisi ini akan mempengaruhi kerja DSSC dan tentu saja akan mempengaruhi efisiensi DSSC tersebut. Dengan pelarut yang tepat, pengembangan DSSC berbasis dye organik akan semakin mudah dalam meningkatkan kerja DSSC. Skripsi ini mencoba untuk

Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

menawarkan rancangan DSSC yang membandingkan berbagai pelarut dye berbasis bahan tumbuhan alami dengan menunjukkan hasil yang beragam terhadap efisiensi DSSC. DYE SENSITIZED SOLAR CELL Susunan DSSC Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan sel surya yang dikembangkan oleh Gratzel pada tahun 1994 yang tidak memanfaatkan semikonduktor, melainkan sel elektrokimia. Berbeda dari sel surya generasi sebelumnya dimana foton dari cahaya matahari diserap oleh semikonduktor (pada sel surya berbasis silikon dan thin film solar cell), material dye pada DSSC dapat berupa bahan organik yang merupakan tempat dimana energi cahaya matahari berupa foton diserap. Prinsip ini dapat dianalogikan dengan prinsip fotosintesis tumbuhan yang mana menimbulkan teori photovoltaic baru karena prinsip photovoltaic yang lama, seperti yang sudah dibahas pada bab sebelumnya, berlaku pada sel surya berbasis semikonduktor [4]. Dye biasanya menyelubungi material oksida, seperti TiO2 atau ZnO, yang nantinya menjadi jembatan elektron ketika elektron tereksitasi dari dye akibat menyerap energi foton dari cahaya matahari. Material oksida yang diselubungi dye berada di antara katoda dan anoda yang berfungsi sebagai pemberi dan penerima elektron dari fenomena yang terjadi di antaranya. Selain material dye dan TiO2 atau ZnO, ada juga elektrolit yang berada antara anoda dan katoda. Anoda pada DSSC merupakan Transparent Conductive Oxide (TCO), yaitu material oksida transparan yang bersifat konduktif (menghantarkan listrik). TCO yang umum digunakan pada DSSC biasanya adalah Indium Tin Oxide (ITO).

Katoda biasanya

merupakan TCO yang ditempelkan dengan grafit atau platina. Untuk lebih jelasnya, ilustrasi susunan DSSC bisa dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Struktur DSSC [5]

Dye Dye merupakan komponen terpenting dalam DSSC. Material dye merupakan material yang mengalami fungsi photovoltaic elektrokimia. Bermacam-macam dye dikembangkan oleh Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

banyak peneliti guna meningkatkan fill factor dan efisiensi DSSC. Dye yang lazim digunakan dalam merancang DSSC adalah dye berbasis quantum-dot atau ruthenium kompleks, seperti cie-bis(thiocyanate)-N,

N’-bis(4,4’-dicarboxylate-2,2’-bipyridine)-ruthenium(II)

di(tetrabutylammonium) (N719, Solaronix), Ruthenizer 535-bisTBA, Ruthenizer 535, Ruthenizer 620-1H3TBA, Ruthenizer520-DN dan lain-lain. Gambar 2. adalah contoh gambar struktur kimia dari dye komersial produksi Solaronix yang sering dipakai dalam pembuatan DSSC.

Ruthenizer 535

Ruthenizer 535-bis TBA

Ruthenizer520-DN

Ruthenizer 620-1H3TBA

Gambar 2. Struktur berbagai macam Ruthenizer, Solaronix Sumber: www.solaronix.com/products/dyes/

Selain itu, banyak juga penelitian DSSC yang memanfaatkan dye nonsintesis. Dye organik dapat berasal dari ekstrak sari tumbuhan alami: daun, buah, bunga, ataupun akar yang memiliki pigmen warna. Pigmen merupakan komponen alami dalam suatu jaringan atau sel yang memberikan warna tersendiri. Pigmen dari tumbuhan dapat diperoleh melalui ekstraksi. Biasanya ekstraksi dilakukan dengan media air (H20) karena pigmen larut dalam air. Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

Ekstraksi pigmen ini yang sering dimanfaatkan menjadi dye dalam pembuatan DSSC. Dye dipilih dari bahan organik karena bahan sintesis biasanya mahal dan terkadang berbahaya. Yang diingini dari bagian-bagian tumbuhan tersebut adalah antosianin yang terkandung di dalamnya. Antosianin memiliki keunikan dalam menyerap energi cahaya dan mengubahnya menjadi elektron yang tereksitasi. Elektron yang tereksitasi ini yang menghasilkan arus listrik. Struktur dari molekul antosianin dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Struktur molekul antosianin. [5]

Pigmen antosianin biasanya menunjukkan kestabilan rendah dalam jaringan makhluk hidup seperti tumbuhan dan produk olahan seperti pewarna tadi. Kestabilan ini ternyata dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: 1). pH Faktor pH mempengaruhi antosianin bukan hanya dalam faktor warna, melainkan juga kestabliannya. Antosianin dikenal lebih stabil dalam larutan asam (ber-pH di bawah 7) daripada larutan netral (ber-pH 7) atau larutan alkali (ber-pH di atas 7). Warna pigmen ini berubah-ubah sesuai kondisi pH yang mempengaruhinya. Pada kondisi asam, pigmen antosianin bisa berwarna merah-oranye, sedangkan dalam kondisi basa biasanya antosianin berwarna biru-ungu atau bahkan kuning. Perubahan warna ini dipengaruhi oleh perubahan struktur antosianin akibat kondisi pH yang dialaminya. 2). Cahaya Cahaya memiliki dualisme dalam mempengaruhi antosianin, yaitu cahaya bisa mendukung sintesis alami pada tumbuhan atau juga merusak zat tersebut. Cahaya menggeser kesetimbangan pigmen ini ke arah flavilium karena terjadi fotoisometrisasi dari trans-kalkon menjadi sis-kalkon. Dalam suasana asam sis-kalkon dapat mengalami siklisasi menghasilkan flavilium. Perlakuan iradiasi sinar agama terhadap buah peach hijau yang masak dapat meningkatkan warna merah antosianin selama penyimpanan pada suhu 680oC. Namun secara


umum, ionisasi radiasi terhadap pigmen antosianin berperan dalam degradasi antosianin tersebut. 3). Suhu Kondisi suhu mempengaruhi laju destruksi antosianin. Hal ini diketahui melalui percobaan yang dilakukan Meschter [6] dengan melakukan pemanasan pada sari buah arbei dengan beberapa suhu pemanasan hingga kadar antosianin mencapai 50%. Percobaan ini mencoba mencari waktu paruh dari antosianin berdasarkan perlakuan suhu yang berbeda. TiO2 Selain dye organik, partikel nano TiO2 juga penting dalam susunan dalam DSSC sebagai anoda. Partikel ini berfungsi sebagai tempat penampungan elektron yang tereksitasi dari dye karena ukuran dye yang sangat kecil. Ukuran TiO2 sendiri bisa sampai berukuran 13 nm [7], sedangkan dye hanya partikel-partikel kecil yang menempel pada TiO2. Material ini merupakan semikonduktor dengan selisih band gap yang lebar, yaitu sebesar 3,2 eV dengan rentang -1,2 eV sampai dengan 2,0 eV. Penggunaan TiO2 akan memperbanyak elektron yang mengalir dari pita konduksi ke pita valensi karena dengan demikian ruang reaksi fotokatalis dan absorpsi oleh dye akan menjadi lebih banyak atau dengan kata lain spektrum absorbsi menjadi lebar. Gambar 4 dan Gambar 5 adalah contoh gambar TiO2 yang diambil dengan menggunakan SEM:

Gambar 4. Partikel nanoflower TiO2 [7]

Gambar 5. Partikel nanoflower TiO2 yang diperbesar [7]


Elektrolit Selain dua bahan penting tadi, DSSC juga membutuhkan elektrolit. Elektrolit yang biasanya adalah larutan iodine (I2/I3-) mengisi celah-celah yang ada pada campuran material dye dan TiO2. Elektrolit ini berfungsi membantu mentransfer elektron yang hilang pada saat dye mengalami eksitasi elektron dari katoda sebagai kopel redoks. Meskipun tidak 100% mampu ditransfer oleh elektrolit dari katoda, setidaknya elektron dapat ditransfer ke dye oleh elektrolit sehingga dye akan dapat senantiasa beroperasi selama terkena paparan sinar matahari. Elektroda Elektroda pada DSSC berperan sebagai penghantar energi listrik yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia yang terjadi pada dye dan anoda (TiO2 atau ZnO). Elektroda yang dipakai dalam DSSC merupakan kaca konduktor atau biasa disebut Transparent Conductive Oxide (TCO), yaitu oksida konduktif yang transparan atau sanggup melewatkan cahaya. Elektroda harus bersifat konduktif agar bisa melewatkan arus listrik dari dye dan anoda (TiO2 atau ZnO) dan transparan terhadap cahaya agar sekaligus juga bisa melewatkan paparan cahaya yang mengenai DSSC. Selain itu, elektroda dapat dilapisi dengan lapisan Anti-Reflection (AR) agar dapat meningkatkan jumlah paparan sinar matahari. Dari penjelasan di atas bisa diketahui bahwa karakteristik penting yang perlu diperhatikan pada elektroda DSSC ada dua, yaitu resistivitas dan transparansi. Karakteristik resistivitas penting karena hal ini yang membedakan konduktivitas semikonduktor dan material konduktor. Karakteristik-karakteristik pada elektroda DSSC ini bisa diatur dengan memanfaatkan perlakuan proses yang ada [12]. Resistivitas bisa diukur dengan menggunakan metode van der Pauw. Pertama kontak Ohmic (TiSi) diletakkan pada sudut sampel yang akan diukur (Gambar 8).

Gambar 8. Kontak Ohmic [13]

Lalu dilakukan pengukuran tegangan dan arus untuk menghitung resistivitas fragmen dengan persamaan: !! =

!"#! !!",!" !!!",!" !" !

!

………..…(1)


dimana: R12,34 adalah rasio tegangan antara kontak 1 dan kontak 2 dengan arus yang ada pada kontak 3 dan kontak 4. R23,41 adalah rasio tegangan antara kontak 2 dan kontak 3 dengan arus yang ada pada kontak 4 dan kontak 1. fA adalah faktor geometris. Sedangkan untuk menghitung resistivitas akumulasi digunakan persamaan: !=

!! !!! !!! !!! !

………………..(2)

Karakteristik kedua yang penting juga adalah transparansi. Transparansi bisa didapatkan dari metode transmisi optik pada rentang spektrum cahaya dengan panjang gelombang dari 300 nm sampai dengan 1000 nm. Cahaya tersebut bisa diukur dengan menggunakan spektrometer. Elektroda pada DSSC dibedakan menjadi dua macam: anoda dan katoda. Anoda dari elektroda DSSC berbeda dengan anoda pada sel DSSC. Anoda dari elektroda di sini merupakan tempat elektron yang telah mengalami proses oksidasi dari sel. Sedangkan, katoda merupakan tempat elektron yang akan mengalami reduksi agar bisa mengisi kekosongan elektron dari sel. Sebenarnya anoda dan katoda dari DSSC biasanya terdiri dari bahan yang sama, bisa berupa ITO (Indium doped Tin Oxide) atau FTO (Fluorine doped Tin Oxide). Prinsip Kerja DSSC Urutan proses kerja DSSC adalah sebagai berikut: 1. Dye menyerap sebuah foton mengakibatkan elektron tereksitasi dari level HOMO ke LUMO dari dye itu sendiri. 2. Dye yang tereksitasi (Dyee) menginjeksi sebuah elektron (e-) ke dalam pita konduksi semikonduktor fotoanoda yang berada sedikit lebih tinggi daripada level konduksinya. 3. Elektron tersebut melintasi partikel-partikel fotoanoda menuju kontak belakang, yaitu oksida transparan TCO (Transparent Conductive Oxide), yang kemudian ditransfer melewati rangkaian luar (load) menuju elektroda lawan. 4. Elektron masuk kembali ke dalam sel, tepatnya ke triioda, melalui katalis dan mereduksi sebuah donor teroksidasi (I+) yang ada di dalam elektrolit. 5. Dye yang teroksidasi (Dyeo) menerima sebuah elektron dari donor tereduksi dan teregenerasi kembali menjadi molekul dye awal. Ilustrasi dapa dilihat pada Gambar 9.


Gambar 9. Skema prinsip kerja DSSC

Metode Penelitian Penulisan skripsi diawali dengan studi literatur yang selanjutnya informasi-informasi tersebut dianalisis untuk memfabrikasi DSSC. Kemudian DSSC dibuat bermacam-macam tergantung dari pelarut dye-nya. Setelah DSSC dibuat dengan variasi tersebut, dilakukan pengukuran keluaran dari DSSC untuk mengetahui tegangan dan arus keluaran. Selanjutnya keluaran-keluaran tersebut diolah menjadi parameter-parameter sel surya pada umumnya untuk melihat perbandingan atas variasi pelarut dye yang digunakan dalam pembuatan DSSC. Langkah terakhir adalah menganalisis pengaruh variasi pelarut dye terhadap kerja DSSC. PERANCANGAN DYE SENSITIZED SOLAR CELL Dye dengan Menggunakan Daun Bayam Merah Dye yang dipakai dalam perancangan DSSC pada tulisan ini merupakan dye alami yang berasal dari daun bayam merah (Spinacia oleracea). Pigmen antosianin membuat warna daun bayam merah menjadi merah-keunguan, sedangkan pigmen klorofil membuat warna daun bayam menjadi hijau. Gambar 10 merupakan gambar profil bayam merah yang dipakai pada eksperimen ini.

Gambar 10. Daun bayam merah


Zat antosianin dari bayam merah akan diekstrak dengan menggunakan berbagai macam larutan yang sering digunakan dalam mengekstrak dye dari bahan alami. Larutan yang dipilih antara lain adalah air (H2O), asam asetat (CH3COOH) dan etanol (C2H5OH). Kedua larutan urutan terakhir merupakan pelarut bersifat asam yang sering digunakan dalam pembuatan dye alami yang diekstrak langsung dari bagian tumbuhan yang diinginkan, seperti, daun, bunga, kulit buah, ataupun akar. Untuk pengekstrakan, bagian daun bayam merah dipilih terlebih dahulu pada bagian yang memiliki warna ungu terpekat seperti pada Gambar 11. Setelah dipilih bagian yang memiliki warna terpekat, daun bayam merah diiris-iris kecil-kecil lalu dihancurkan dengan mortar seperti pada Gambar 12. Setelah itu, daun bayam merah ini dicampurkan dengan masingmasing pelarut dengan kadar tertentu sambil dijaga kepekatannya. Pencampuran pelarut harus dijaga agar warna pigmen tidak sampai hancur. Setelah itu, larutan itu disimpan selama 1 jam dalam gelas beaker seperti pada Gambar 13 tanpa terkena cahaya matahari agar tidak merusak pigmen yang ada.

Gambar 11 Daun bayam yang sudah dipilih dengan warna pekat

Gambar 12 Daun bayam merah yang dihancurkan dengan mortar


Gambar 13 Penyimpanan larutan dye dalam gelas beaker

Persiapan Fotoanoda (TiO2) Pada rancangan ini, lapisan oksida, berfungsi sebagai fotoanoda, yang dipakai adalah TiO2 (degusa P 25). Bahan ini akan dihomogenisasi terlebih dahulu dengan menggunakan asam asetat. Homogenisasi ini penting agar campuran yang mengandung TiO2 dapat seragam pada saat ditempelkan di atas TCO (Transparent Conductive Oxide), yang dalam penelitian ini menggunakan ITO (Indium Tin Oxide) berhambatan 123 +/- 3 Ω. Fotoanoda merupakan elemen penting dalam pembuatan DSSC. Elektron yang tereksitasi dari dye akan mengalir melewati fotoanoda. TiO2 sebagai fotoanoda yang sering digunakan baik pada dye ruthenium-kompleks, maupun dye alami, akan digunakan dalam perancangan DSSC kali ini. Fotoanoda ini akan menjadi jembatan elektron yang mengalirkan elektron sebagai arus listrik dengan arah yang ditunjukkan sebagai garis biru pada Gambar 14.

Gambar 14. Ilustrasi aliran elektron yang membentuk arus listrik

Untuk membuat DSSC, diperlukan beberapa langkah: 1). Sebelum melakukan pembuatan DSSC, TCO pertama disiapkan terlebih dahulu dengan dicuci dengan air suling dan etanol. 2). Untuk melakukan pengukuran yang tepat, diperlukan daerah penempelan anoda-dye tertentu. Ukuran yang akan dibuat adalah 15 mm x 15 mm. Jadi, TCO yang ada akan ditutup Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

permukaannya dengan menyisakan permukaan seluas 15 mm x 15 mm dengan menggunakan selotip scotch seperti pada Gambar 15.

Gambar 15. Pembatasan area DSSC dengan selotip scotch

3). Setelah mendapatkan daerah DSSC yang akan dibuat, pasta fotoanoda yang merupakan TiO2 yang tadi diproses didistribusikan merata dengan metode doctor-blade. Campuran anoda diratakan dengan menggunakan batang kaca (Gambar 16). Setelah jadi, daerah DSSC dikeringkan di suhu ruang, lalu selotip scotch dilepas.

Gambar 16. Batang kaca untuk metode doctor-blade

4). Untuk menempelkan fotoanoda ke TCO, dilakukan pemanasan 450oC selama 30 menit seperti pada Gambar 17. Hal ini bertujuan untuk mendeposisi fotoanoda pada TCO.


Gambar 17. Deposisi TiO2 pada TCO dengan hot plate

5). Setelah menempel, dye diteteskan ke TCO yang sudah dideposisi anoda pada area yang terdeposisi saja agar tidak perlu dibilas. Setelah itu, larutan dye dibiarkan hingga menempel pada fotoanoda seperti pada Gambar 18.

Gambar 18. Dye yang sudah menempel pada fotoanoda

6). Lalu elektroda yang berlawanan (TCO sebagai katoda) dilapisi karbon dengan cara menaruh TCO tersebut di atas nyala api yang berasal dari lilin. Lalu TCO ini ditempelkan dengan TCO yang terdeposisi fotoanoda-dye dengan menggunakan penjepit klip. 7). Setelah itu larutan elektrolit diteteskan ke tengah DSSC agar mengisi pori-pori daerah dye-anoda seperti terlihat pada Gambar 19. Larutan elektrolit didapatkan dengan melarutkan 0,8 gr KI, 10 ml asetonitril, lalu mencampurkan 0,127 gr I2.


Gambar 19. DSSC penelitian

Perhitungan Unjuk Kerja Fill factor dapat dihitung berdasarkan Isc, Voc, Im, dan Vm yang diketahui berdasarkan Persamaan 3. !

! !

FF = ! !"# = !!!! …………….…....(3) ! !" !"

!" !"

Efisiensi sel surya dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 4. η=

!!"# !!"

=

!! !! !!"

=

!!!!" !!" !!"

..............(4)

dengan sebelumnya mencari nilai daya input yang berasal dari daya cahaya yang diberikan. Daya input dari eksperimen ini berasal dari lampu halogen. Dengan menggunakan alat ukur luxmeter, harga iluminasi cahaya dapat diketahui untuk kemudian dikonversi ke dalam satuan daya Watt. Nilai daya ini dapat diketahui melalui Persamaan 5: P(W) = Ev(lx) × A(m2) / η(lm/W)………(5) dimana Ev = iluminansi Ev (lux) A = permukaan DSSC (m2) η = efisiensi lumen (lm/W), yaitu 20 lm/W berhubung sumber cahaya merupakan lampu halogen. Dari Persamaan 5, daya masukan (Pin) dapat diketahui berdasarkan iluminansi cahaya dari lampu halogen yang terukur sebesar 12500 lux. Luas area permukaan DSSC juga diketahui, yaitu 15 mm x 15 mm, atau sebesar 0,000225 m2, sehingga daya masukan (Pin) dapat diketahui sebesar Pin = 0,140625 Watt Percobaan dilakukan dengan 3 macam pelarut, yaitu air suling (H2O) dan etanol (C2H5OH). Hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut: •

Dengan air (H2O)

Voc = 0,12 mV Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

Isc = 2 µA •

Dengan etanol (C2H5OH)

Voc = 17 mV Isc = 4 µA •

Dengan asam asetat (CH3COOH)

Voc = 23 mV Isc = 0 (tidak mampu terukur) •

Tanpa pelarut

Voc = 278 mV Isc = 62 µA Vm = 172 mV Im = 44 µA Pada percobaan dengan menggunakan etanol, didapatkan plot grafik tegangan

dan arus

terhadap waktu seperti pada Gambar 20 dan Gambar 21. Pada percobaan dengan menggunakan asam asetat, didapatkan plot grafik tegangan terhadap waktu seperti terlihat pada Gambar 22. Pada percobaan ini, yang dapat diplot hanya grafik hubungan tegangan terhadap waktu saja karena besar arus tidak terukur (selalu bernilai nol). Pada percobaan tanpa menggunakan pelarut, didapatkan plot grafik karakteristik tegangan-arus seperti terlihat pada Gambar 23. Dari data percobaan tanpa menggunakan pelarut, nilai fill factor FF dan efisiensi (η) dapat diketahui berdasarkan Persamaan 3 dan Persamaan 4: !

! !

FF = ! !"# = !!!! = ! !" !"

η=

!!"# !!"

=

!! !! !!"

=

!!!!" !!" !!"

!" !"

=

!! µμ! ! !"# !" 62 µμA x 278 mV

= 0,4391

!,!"#$ ! !,!!!!"#! ! !,!"# ! !,!"#$%& !"##


!100% = 0,005%

Tegangan terhadap waktu 20 15 Tegangan (mV)

10 Tegangan (mV)

5 0 0

50

100

-‐5

150

200

Waktu (s)

Gambar 20. Grafik hubungan tegangan terhadap waktu DSSC dengan pelarut dye adalah etanol

Arus terhadap waktu 0.0015 0.001 Arus (mA) 0.0005

Arus (mA)

0 0 -‐0.0005

50

100 150 200

waktu (s)

Gambar 21. Grafik hubungan arus terhadap waktu DSSC dengan pelarut dye adalah etanol

0.03 0.02 0.01 0

Tegangan (V) 1 34 67 100 133 166 199 232 265 298 331

tegangan (v)

Tegangan (V)

waktu (s)

Gambar 22. Grafik hubungan tegangan terhadap waktu DSSC dengan pelarut dye adalah asam asetat


Gambar 23. Grafik hubungan arus terhadap tegangan DSSC tanpa pelarut dye

Analisis Keluaran yang didapatkan dari hasil percobaan pada DSSC tanpa pelarut dye menunjukkan hasil yang lebih baik daripada percobaan pada DSSC dengan pelarut dye. Berdasarkan hasil pengukuran, Voc yang dihasilkan oleh percobaan tanpa pelarut dye etanol adalah sebesar 278 mV dengan Isc sebesar 62 µA. Pada keempat percobaan, DSSC yang dihasilkan memiliki waktu kerja yang tidak lama setelah diberikan elektrolit cari yang berasal dari KI dan I2. Hal ini terlihat dari Grafik 4.1 dimana daerah hasil keluaran tegangan pada percobaan dengan etanol baik pada detik ke-100 hingga ke-150. Keluaran arus yang terlihat pada Grafik 4.2 menunjukkan arus dapat terukur dengan baik pada 20 detik pertama. Sulitnya melakukan pengukuran kemungkinan besar diakibatkan oleh kecilnya daya keluaran yang dihasilkan DSSC yang menggunakan dye alami. Kondisi ITO (Indium Tin Oxide) juga berpengaruh kepada penghantaran elektron. Resistansi ITO yang terukur adalah pada 123 Ω dengan pergeseran hambatan sekitar 5 Ω. Resistansi ITO sebelum mengalami pemanasan 4500C selama 30 menit bernilai 50 Ω, namun setelah dilakukan pemanasan tersebut berubah drastis menjadi 123 Ω. Jika dilakukan pembakaran berulang kali untuk pemakaian ITO bekas secara berulang-ulang, hambatannya berubah sampai menjadi 200 Ω. Keluaran Voc dan Isc yang didapatkan pada hasil percobaan merupakan keluaran daya maksimum yang stabil pada saat pengukuran. Namun, keluaran ini tidak mampu diplot karena meskipun stabil, keluaran tersebut tidak bertahan lama. Kerja DSSC mengalami degradasi seiring dengan waktu. Elektrolit juga menjadi faktor penting yang mempengaruhi dye. Pada Gambar 19 terlihat bagaimana warna DSSC berubah setelah ditetesi elektrolit. Setelah lewat dari setengah jam, Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

DSSC sedikit menghitam dan menjadi inaktif terhadap cahaya. Selain itu, warna ITO yang terkena elektrolit menjadi sedikit kuning. Hal ini mengakibatkan transparansi cahaya berkurang dan membuat energi cahaya yang mampu menembusnya akan berkurang pula. Jadi, selain faktor pelarut yang menjadi masalah pada DSSC, elektrolit juga dapat menjadi faktor penting dalam menentukan kerja DSSC. Elektrolit diketahui sebagai pereaksi redoks pada kerja DSSC. Namun, sifatnya yang korosif dapat merusak dye alami seperti yang terjadi pada penelitian ini. Kesimpulan Dari pembahasan yang dibahas dalam skripsi ini dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu: 1. Penggunaan dye alami daun bayam merah tanpa pelarut lebih baik dari segi penempelan dye dan keluaran Voc dan Isc yang sebesar 278 mV dan 62 µA dimana Vmp dan Imp sebesar 172 mV dan 44 µA, dengan FF sebesar 0,4391 dan efisiensi sebesar 0,005%. 2. Penggunaan dye alami untuk pembangkitan energi listrik pada DSSC tidak begitu efektif karena hanya menghasilkan keluaran Voc dan Isc yang sangat kecil seperti terlihat pada Grafik 4.5 dengan keluaran tegangan dan arus puncak 278 mV dan 62 µA. 3. Selain keluaran tegangan puncak yang kecil, keluaran arus juga sangat kecil terbukti dari Grafik 4.3 dengan keluaran puncak 0,001 mA atau sebesar 1 µA bahkan tidak terukur oleh alat ukur karena hanya terbaca 0 mA dimana alat ukur hanya mampu mengukur hingga 0,001 mA. 4. Pengekstrakan daun bayam merah belum mampu menghasilkan 100% antosianin karena terbukti dari Gambar 4.6 masih ada klorofil yang dihasilkan dari pengekstrakan. Daftar Referensi [1] Green, Martin A. (1982). Solar Cells Operating Principles, Technology, and System Applications. New Jersey: Prentice Hall. [2] Eindhoven University of Technology (2008, May 17). New World Record For Efficiency For Solar Cells; Inexpensive To Manufacture. ScienceDaily. Retrieved June 8, 2013, from http://www.sciencedaily.com¬ /releases/2008/05/080514154702.htm [3] Pierret, Robert F. (1996, March). Semiconductor Device Fundamentals. United States of America: Addison-Wesley Publishing Company. [4] Gratzel, M. (1994). Nanocrystalline Electrochemical Solar Cells. IEEE, 94, CH3365-4. [5] Winantyo, Rangga, et al. (2012, August). Effect of Annealing on Characterization of TiO2-Based DSSC. Journal of Materials Science and Engineering A, vol.2. Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

[6] Effendi Wijaya. (1991). Ekstraksi, Purifikasi, dan Karakterisasi Antosianin dari Kulit Manggis (Garcinia mangostana L.). Bogor: Institut Pertanian Bogor, FITPG/1991/032. [7] Cramer, Hailey, et al. (2011, August). Anhocyanin Dyes in Titanium Dioxide Nanoparticle-Dye Sensitized Solar Cells. Portland, Oregon: 11th IEEE International Conference on Nanotechnology. [8] Kim, Jumi, et al. (2010). Effect of Plasma Treatment with Various Gases on Nanocrystalline TiO2 for Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC). IEEE, 10, 978-1-4244-58929. [9] Wei, Cong, & Liyuan, Xu. (2011). Research on Performance of TiO2 Nano Flower Structure DSSC. IEEE, 11, 978-1-4244-8165-1. [10] Djurisic, A. B., Ng, A. M. C., & Chen, X. Y. (2010). ZnO Nanostructures for Optoelectronics: Material Properties and Device Applications. Elsevier: Progress in Quantum Electronics. [11] Liu, Chuanbiao, et al. (2009). Fabrication and Study on Anode of Dye-Sensitized Solar Cells. IEEE, 09, 9781-4244-3912-6. [12] Chen, K.F., et al. (2010). Development of Solid Polymeric Electrolyte for DSSC Device. IEEE, 10, 978-1-4244-5892-9. [13] Akhtar, M. Shaheer, Park, Dong Min, & Yang, O-Bong. (2011, October). Composite of Carbon Nanomaterials and Polyethylene Oxide for Dye Sensitized Solar Cells. Jeju, Korea: IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference. [14] Jiyoun, Seol, et al. (2006). Effect of ITO Surface Treatment on Organic Solar Cells. IEEE, 06, 1-4244-0016-3. [15] Lapinski, Marcin, et al. (2009). Electrical and Optical Characterization of ITO Thin Films. IEEE, 09, 978-1-4244-4303. [16] Shanmugam, Mariyappan, Bills, Braden, & Baroughi, Mahdi Farrokh. (2010). Overview of Atomic Layer Deposited Metal Oxides for Treating Nanoporous TiO2 Photoelectrode for Dye Sensitized Solar Cells. IEEE, 10, 978-1-4244-5892-9. [17] Ahmad, M.A. Riyaz, & Nafarizal, N. (2010, December). Study on TiO2 Film for DyeSensitized Solar Cell using Natural Dyes. KLCC, Malaysia: International Conference on Enabling Science and Nanotechnology (ESciNano). [18] Asano, Tsuyoshi, et al. (2003, May). Dye-Sensitized Solar Cells Fabricated with Novel Polymeric Solid Electrolyte Films. Osaka: 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. Fabrikasi dan…, Fernando Martua Agustinus, FT. UI, 2013

[19] Chako, Saji, & Gael, Naveen. (2011). Voltage Sag mitigation in Electric Arc Furnace with D-STATCOM. International Electrical Engineering Journal (IEEJ), 2, 536-542. [20] Djurisic, A. B., Ng, A. M. C., & Chen, X. Y. (2010). ZnO Nanostructures for Optoelectronics: Material Properties and Device Applications. Elsevier: Progress in Quantum Electronics. [21] Hsin, Chun Lu, et al. (2008, January). Synthesis and Characterization of Crystalline SolGel Derived ITO Nano-powders by Supercritical CO2 Drying. Sanya, China: Proceedings of th 3rd IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. [22] Kimpa, Mohammed Isah, et al. (2012, May). Photoelectric Characterization of Dye Sensitized Solar Cells Using Natural Dye from Pawpaw Leaf and Flame Tree Flower as Sensitizers. http://www.SciRP.org/journal/msa. [23] Kushwaha, Suman, & Bahadur, Lal. (2012). Natural Alkanin and Anthocyanin as Photosensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells. IEEE, 12, 978-1-4673-0455-9. [24] Maddu, Akhiruddin, Zuhri, Mahfuddin, & Irmansyah. (2007, November). Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye. Makara, Teknologi, 11(2), 78-84. [25] Rey. G, et al. (2010). Zinc Oxide Nanostructured Material for Dye Sensitized Solar Cells. IEEE, 10, 978-1-4244-5892-9. [26] Shanmugam, Mariyappan, Bills, Braden, Baroughi, Mahdi Farrokh, & Galipeau, David. (2010). Electron Transport in Dye Sensitized Solar Cells with TiO2/ZnO Core-Shell Photoelectrode. IEEE, 10, 978-1-4244-5892-9. [27] Wang, J.X, Cheung, W.S., & Wu, M. L. (2008). Porous ZnO Hierarchical Disk Nanostructures Dye Sensitive Solar Cell. IEEE, 08, 978-1-4244-2540-2. [28] Khan, Mubarak A., et al. (2012, September). Sensitization of Nanocrystalline Titanium dioxide Solar Cells using Natural Dyes: Influence of Acids Medium on Coating Formulation. American Academic & Scholarly Research Journal, from www.aasrc.org/aasrj. [29] Nadeak, Sahat Marthua Reynard, & Susanti, Diah. (2012, September). Variasi Temperatur dan Waktu Tahan Kalsinasi terhadap Unjuk Kerja Semikonduktor TiO2 sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Dye dari Ekstrak Buah Naga Merah. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: ISSN:2301-9271


FABRIKASI DAN ANALISIS SEL SURYA TERSENSITISASI DYE BERBASIS TiO 2 DENGAN PENGARUH EKSTRAK DAUN BAYAM MERAH SEBAGAI DYE ALAMI

Recommend Documents