1154: Hendri Widiyandari dkk.
EN-88
FABRIKASI GELAS TRANSPARANT KONDUKTIF FTO (FLOURINE-DOPED TIN OXIDE) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA BERBASIS DYE (DSSC) Hendri Widiyandari1∗ , Agus Purwanto2 , Eko Hidayanto1 , Kuncoro Diharjo3 , dan Suyitno3 1
Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Matematika Universitas Diponegoro Jl. Prof. H. Soedarto, SH Tembalang Semarang Jawa Tengah 50275 Telepon (024) 76480822 2 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami, No. 36A Surakarta Jawa Tengah 57126 3 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami, No. 36A Surakarta Jawa Tengah 57126 ∗
e-Mail:
[email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Gelas transparan konduktif FTO (flourine-doped tin oxide) telah berhasil dibuat dengan menggunakan metode droplet/spray deposition. Dari analisa XRD (X-Ray Defractometer) menunjukkan film yang dihasilkan memiliki kesuaian dengan struktur tetragonal SnO2 dengan ukuran kristal berkisar pada 37,045 nm. Dari hasil pengujian sifat optik dan listriknya diperoleh FTO yang dihasilkan memiliki transmitansi pada rentang cahaya tampak (400 - 800 nm) hingga lebih dari 80% dan sheet resistansi yang bisa dikontrol (7 23 Ω/sq). Gelas FTO dengan variasi nilai sheet resistance kemudian digunakan sebagai substrat elektroda pada devais sel surya berbasis dye atau dye-sensitized solar cell (DSSC). Dengan menggunakan teknik doctor blade dalam pembuatan elektroda aktif (nanopartikel TiOletakbawah2) dan elektroda pembalik Pt (platinum) diperoleh DSSC menggunakan FTO dengan sheet resistance 12 Ω/sq memiliki short-circuit photocurrent density (Jsc) mencapai 5,84 mA/cm2 dengan power convertion efficiency 2,8%. Kata Kunci: Gelas transparan konduktif, FTO, droplet deposition, Dye sensitized solar cell (DSSC).
I.
PENDAHULUAN
Sel surya merupakan devais yang digunakan untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Ketersediaan energi matahari sangat berlimpah tetapi pemanfaatannya sebagai sumber energi listrik masih terbatas karena kendala harga sel surya yang masih mahal. Saat ini, telah dikembangkan sel surya berbasis dye/pewarna (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC) yang murah. Untuk fabrikasi sel surya jenis ini diperlukan beberapa komponen meliputi gelas transparan konduktif, titania nanopartikel, pewarna dan elektrolit. Di antara komponen-komponen dalam devais DSSC ini, gelas transparan konduktif merupakan komponen terpenting yaitu sebagai substrat bagi elektroda aktif dan elektroda pembalik Platina (Pt). Aplikasi lain dari gelas transparan konduktif ini adalah sebagai komponen display, smart window, light emitting diode, dan lain-
lain.[1] Sampai dengan saat ini material yang digunakan sebagai gelas transparan konduktif di antaranya adalah ITO (Indium Tin Oxide), dan FTO (Flourinated-Tin Oxide). Dibandingkan dengan ITO, FTO umumnya lebih resistan secara kimiawi, murah dan ketersediaan bahan baku yang lebih mudah diperoleh.[1, 2] Khusus untuk aplikasi DSSC, FTO menunjukkan sifat konduktifitas listrik yang relatif lebih tahan terhadap perlakuan pemanasan dibandingkan dengan ITO.[3, 4] Sehingga hal ini membuat FTO sangat potensial digunakan sebagai elektroda pada DSSC. Beberapa metode yang telah digunakan untuk fabrikasi gelas transparan konduktif di antaranya adalah spray pyrolysis deposition (SPD),[2] chemical vapor deposition (CVD), dan flame assisted spray deposition.[4, 5] Di antara metode ini ini, spray pyrolysis deposition menawarkan beberapa keuntungan di antaranya ber-
Prosiding InSINas 2012
1154: Hendri Widiyandari dkk. operasi pada tekanan atmosfer, mudah dikontrol serta memungkinkan untuk dilakukan doping terhadap material yang akan dibuat.
EN-89 pembentukan film FTO. Droplet yang dihasilkan kemudian dialirkan keatas permukaan substrat yang telah dipanasi dengan temperatur yang berbeda-beda. Dengan mengatur temperatur deposisi, FTO dengan sheet resistance yang berbeda-beda dapat dibuat.
G AMBAR 1: Diagram skematik sel surya jenis DSSC.
Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah sel surya jenis ketiga yang memanfaatkan teknologi nano. DSSC merupakan sel surya yang sangat menjanjikan karena berpotensi sebagai sel surya yang murah, mudah dibuat dan menjanjikan efisiensi yang tinggi. Diagram skematik sel surya jenis DSSC ini dapat dilihat pada G AM BAR 1 . DSSC tersebut dibuat dari elektroda kerja yang merupakan lapisan titania nanopartikel pada gelas FTO. Elektroda titania ini kemudian dilapisi pewarna untuk memaksimalkan tingkat penyerapan sinar mataharinya. Selain elektroda kerja, diperlukan elektroda kounter yang terbuat dari lapisan platina atau karbon pada gelas FTO. Untuk mengalirkan elektron, larutan elektrolit diisikan di antara elektroda kerja (lapisan titania Nanopartikel) dan elektroda counter (Pt atau karbon). Larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan redox iodide/triiodide. Effisiensi sel surya jenis DSSC ini yang pernah dilaporkan adalah sebesar 12.3%.[6, 7] Sel surya jenis DSSC sangat dipengaruhi oleh komponen pendukungnya berupa gelas transparan konduktif FTO. Pada paper ini diuraikan pengaruh resistansi terhadap efisiensi dari sel surya jenis DSSC. Dengan metode deposisi spray, FTO dengan berbagai resistansi dibuat. Kemudian FTO yang telah dibuat digunakan dalam pembuatan sel surya DSSC dan diuji pengaruh sheet resistance-nya terhadap effisiensi sel surya.
II.
METODOLOGI
Gelas transparan konduktif dibuat dengan menggunakan metode droplet/spray deposition (G AMBAR 2). Reaktor deposisi terdiri dari droplet generator (ultrasonic nebulizer Omron, NE-U17, Japan) dan hot-plate (IKA C-MAG HS7, USA) sebagai pemanas substrat sekaligus sebagai sumber energi termal dalam proses
G AMBAR 2: Peralatan yang digunakan untuk membuat gelas FTO.
Bahan yang digunakan untuk membuat gelas FTO adalah gelas, SnCl2.2H2O (98%, Merck Ltd., Germany) dan NH4 F (98%, Merck Ltd., Germany). Larutan dibuat dengan konsentrasi 0.7 M dengan kandungan dopant (NH4 F) 8% dalam 96% etanol. Larutan yang telah dibuat dimasukkan kedalam wadah ultrasonic nebulizer untuk kemudian diatomisasi dan dideposisi di atas permukaan gelas. Gelas FTO yang dihasilkan dari metode di atas kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan X-Ray difractometry (XRD, RINT 2200V, Rigaku-Denki Corp., Tokyo, Japan), four-probe resistivity meter (Jandel Engineering, Bedfordshire, UK), dan juga UV-Vis spectrometer (UV 2450, Shimadzu, Kyoto, Japan) Untuk membuat sel surya jenis DSSC, digunakan metode doctor blade untuk melapiskan titania dan platina di atas gelas FTO. Titania nanopartikel (Anatase, DSL 18NR-T, Dyesol) digunakan sebagai elektroda kerja. Untuk membuat film yang kuat antara titania dengan gelas FTO, gelas FTO dibersihkan terlebih dahulu dengan ethanol dalam ultrasonic bath. Setelah film titania terdeposisi di atas FTO, film titania kemudian dipanaskan dalam furnace dengan 500 ◦ C selama satu jam. Titania film kemudian dicelupkan kedalam larutan ethanol-pewarna N719 dengan konsentrasi 0,5 mmol selama 24 h dikeringkan dalam sebuah oven. Sel surya Prosiding InSINas 2012
1154: Hendri Widiyandari dkk.
EN-90 kemudian dibuat dengan cara membuat sandwich antara elektroda titania dan elektroda counter platina. Elektroda counter platina dibuat dengan melapisi pasta platina (PT-1, Dyesol) pada gelas FTO. Kedua elektroda di pisahkan dengan spacer polymer Surlyn (ketebalan 25 mm). Di antara kedua elektroda tersebut kemudian diisi dengan larutan elektrolit. Larutan ini adalah larutan redoks iodide (Iodolyte AN-50, Solaronix). Sel surya yang telah dihasilkan kemudian di karakterisasi dengan menggunakan solar simulator AM 1.5 untuk mengetahui karakteristiknya.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan gelas FTO dengan menggunakan teknologi spray dilakukan pada temperatur 500 ◦ C. G AM BAR 3 menunjukkan spektrum XRD gelas FTO yang dihasilkan. Dari G AMBAR 1 tersebut diketahui bahwa film FTO yang dihasilkan merupakan SnO2 dengan struktur kristal tetragonal. Spektrum ini sesuai dengan JCPDS no 770541. Dari perhitungan dengan menggunakan persamaan scherer didapat diameter kristal sebesar 37,045 nm. Stuktur kristal ini menghasilkan gelas FTO dengan sheet resistance yang rendah.[1–4] Untuk pengaruh sheet resistance terhadap karakteristik sel surya jenis DSSC, telah dibuat gelas FTO dengan sheet resistance yang berbeda-beda. Sheet resistance yang digunakan adalah 6,7; 12,1; 19,3; dan 23,5 Ω/sq. Lebih detail gelas FTO yang digunakan dapat dilihat pada TABEL 1.
TABEL 1: Gelas FTO yang dihasilkan dengan berbagai sheet resistance.
sample FTO10 FTO20 FTO30 FTO50
sheet resistance Ω/sq 6,7 12,1 19,3 23,5
G AMBAR 4 dapat diketahui bahwa semua gelas FTO transparan dengan tingkat transparansi antara 65-85% pada panjang gelombang antara 400-800 nm. Tingkat transparansi gelas FTO yang dihasilkan dapat dilihat pada G AMBAR 5. Gelas FTO dengan karakteristik ini dapat digunakan untuk membuat sel surya jenis DSSC.[6, 7]
G AMBAR 4: Spektrum UV-Vis gelas FTO yang dideposisi dengan metode spray.
G AMBAR 3: Spektrum XRD film FTO yang dibuat dengan metode spray.
Untuk mengetahui tingkat ketransparanan dari FTO yang dihasilkan dilakukan pengukuran UV-Vis. Hasil pengukuran ini dapat dilihat pada G AMBAR 4. Dari
Dari gelas FTO yang telah dibuat di atas digunakan untuk membuat sel surya jenis DSSC. Sel surya yang telah dibuat dikarakterisasi dengan menggunakan solar simulator AM. 1,5. Hasil karakterisasi lengkap sel surya sebagai fungsi dari sheet resistance FTO dapat dilihat pada TABEL 2. Dari tabel tersebut terlihat bahwa efisiensi sel surya tergantung dari besarnya sheet resistance. Sel surya yang dibuat dari FTO dengan sheet resistance 6,7; 12,1; 19,3; dan 23,5 Ω/sq mempunyai efisiensi berturut-turut sebesar 1,66; 2,80; 2,29; dan 0,2 %. Sel surya yang dibuat dari gelas FTO dengan sheet resistance di bawah 19,3 Ω/sq mempunyai fill factor di atas 0,7. Hal ini menandakan bahwa sel surya tersebut mempunyai daya maksimal yang besar. Selain itu, sel surya yang dibuat dari FTO dengan sheet resistance di bawah 19,3 Ω/sq mempunyai Voc lebih dari 0,6 V. Kurva I-V pengukuran sel surya dapat dilihat pada G AMBAR 6. Dari kurva tersebut terlihat bahwa sel surya mempunyai arus yang hampir konstan pada tegangan Prosiding InSINas 2012
1154: Hendri Widiyandari dkk.
EN-91
G AMBAR 5: Photo gelas FTO yang dibuat dengan metode deposisi spray.
G AMBAR 6: Kurva I-V sel surya yang dibuat dari FTO dengan berbagai sheet resistance.
UCAPAN TERIMA KASIH TABEL 2: Tabel karakteristik sel surya DSSC sebagai fungsi sheet resistance
Sample FTO10 FTO20 FTO30 FTO50
Resistance (Ω/sq) 6,7 12,1 19,3 23,5
FF (%) 70,7 72,7 71,7 24,5
Eficiency (%) 1,66 2,80 2,29 0,02
mendekati 0,6 V. Kurva seperti ditunjukkan pada gambar tersebut merupakan kurva ideal untuk sel surya.[6, 7] Dari optimasi yang dilakukan dapat diketahui bahwa sheet resistance yang ideal untuk pembuatan sel surya adalah 12,1 Ω/sq yang menghasilkan sel surya dengan efisiensi 2,80 %.
IV.
KESIMPULAN
Telah dibuat gelas transparan konduktif FTO (flourine-doped tin oxide) dengan menggunakan metode deposisi spray. Film FTO yang dihasilkan menunjukkan struktur tetragonal SnO2 dengan ukuran kristal berkisar pada 37,045 nm. Dari analisa optik diperoleh FTO yang memiliki transmitansi pada rentang cahaya tampak (400-800 nm) hingga lebih dari 80%. Sheet resistansi film FTO yang dihasilkan yang bisa dikontrol dalam kisaran 6,7-23,5 Ω/sq. Gelas FTO ini kemudian digunakan sebagai substrat elektroda pada pembuatan sel surya jenis DSSC. Dari optimasi yang telah dilakukan diperoleh bahwa sel surya yang dibuat dari FTO dengan sheet resistance 12,1 menghasilkan sel yang memiliki short-circuit photocurrent density (Jsc ) mencapai 5,84 mA/cm2 dengan power convertion efficiency 2,8 %. Sel surya ini sangat potensial untuk diaplikasikan pada kehidupan sehari-hari sebagai sumber tenaga peralatan elektronik.
Penulis mengucapkan terimakasih yang sebesarbesarnya kepada KEMENRISTEK atas pendanaan penelitian ini melalui program insentif SiNas (InSiNas).
DAFTAR PUSTAKA [1] Kumar, R., Zhou, C., (2010), The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win?, ACS Nano Vol. 4, No. 1 pp 11-14. [2] Adnane, M., Cachet, H., Folcher, G., Hamzaoui, S., (2005), Beneficial effects of hydrogen peroxide on growth, structural and electrical properties of sprayed fluorine-doped SnO films, Thin Solid Film Vol. 492, No. 1-2, pp 240-247 [3] Sima, C., Grigoriu, C., Antohe, S., (2010), Comparison of the dye-sensitized solar cells performances based on transparent conductive ITO and FTO, Thin Solid Film Vol. 519, No. 2, pp 595-597 [4] Purwanto, A., Widiyandari, H., and Jumari, A., (2012) High Performance FTO film Prepared by Flame Assisted Spray Deposition, Thin Solid Films Vol. 520, No. 6, 2092-2095. [5] Purwanto, A., Widiyandari, H., Hidayat, D., Iskandar, F., and Okuyama, K. (2009), Facile Method for the Fabrication of Vertically Aligned ITO Nanopillars with Excellent Properties, Chemistry of Materials Vol 21, pp 4087-4089. [6] McCune, M., Zhang, W., Deng, Y. (2012), High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells Based on ThreeDimensional Multilayered ZnO Nanowire Arrays With Caterpillar-Like Structure, Nanoletters Vol 12, pp. 3656-3662. [7] Zheng, Q., Kang, H., Yun, J., Lee, J., Park, J. H., Baik, S. (2011), Hierarchical Construction of Self-Standing Anodized Titania Nanotube Arrays and Nanoparticles for Efficient and Cost-Effective Front-Iluminated Dye-Sensitized Solar Cells, ACS Prosiding InSINas 2012
EN-92
1154: Hendri Widiyandari dkk.
Nano Vol 5 No 6, pp 5088-5093
Prosiding InSINas 2012
