JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
1
KAREKTARISASI FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSCC) PADA TiO2 FASE ANATASE DAN RUTILE Rizqon Natullah, dan Gatut Yudoyono Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak— Fabrikasi dye sensitized solar cell (dscc) dimaksudkan untuk pengembangan energi alternatif masa depan dengan dye jahe merah, berbahan TiO2 nano fase anatase dan rutile dideposisikan dengan menggunakan metode spin coating pada substrat ITO, dibentuk dengan struktur sandwich. DSCC disinari dengan menggunakan lampu halogen dan diukur dengan multimeter sehingga dapat dilihat karakterisasi arus dan tegangan yang menunjukkan bahwa bahwa arus pada TiO2 nano anatase bernilai lebih stabil dan lebih besar dibandinghkan dengan arus pada TiO2 nanao rutile. Hal ini dikarenakan pada TiO2 nano anatase bersifat fotokatalis dan aktivis yang tinggi sedangkan TiO2 nano rutile bersifat fotokatalis dan fotoaktivis yang lebih rendah. Kata Kunci— DSCC, TiO2 , anatase, rutile.
I. PENDAHULUAN
P
ERKEMBANGAN teknologi, prilaku masyarakat, dan jumlah penduduk menyebabkan energi merupakan kebutuhan vital. Dewasa ini pengunaan sumber energi fosil telah diminimalisir dan beralih pada sumber energi terbarukan. Salah satu sumber energi terbarukan adalah sel surya. Sel surya konvensional memanfaatkan material optis dan semikonduktor. Pada tahun 1839 Edmund Becquerel, seorang pemuda Prancis berusia 19 tahun menemukan efek yang sekarang dikenal dengan efek fotovoltaik ketika tengah berkesperimen menggunakan sel larutan elektrolisis yang dibuat dari dua elektroda. Becquerel menemukan bahwa beberapa jenis material tertentu memproduksi arus listrik dalam jumlah kecil ketika terkena cahaya. Penemuan sel surya modern dimulai satu abad setelah penemuan fenomena fotovoltaik pertama oleh tiga peneliti Bell Laboratories di AS (Chapin, Fullr dan Pearson) secara tidak sengaja menemukan bahwa sambungan dioda pn dari silikon mampu membangkitkan tegangan listrik. Pada tahun tersebut mereka telah berhasil membuat sebuah sel surya pertama dengan efisiensi sebesar 6%. Dari titik inilah penelitian yang dilakukan terkait sel surya hingga sekarang berkembang dengan banyak jenis dan pembuatanya. Pada tahun 1991, Michael Grätzel dan Brian O’Regan telah menemukan “Dye-sensitized Solar Cells” yang biasa disebut sel Grätzel. Sel pertama hanya dapat digunakan untuk spektrum ultraviolet dan biru pada cahaya matahari. Seiring perkembangan jaman, kemajuan teknologi mampu memperlebar frekuensi cahaya dimana sel surya ini mampu
merespon cahaya matahari dengan memanfaatkan bahan dye tertentu. Bahan dye yang paling efisien secara mudah disebut dengan dye hitam karena warna dari dye yang sangat gelap. Meskipun solar sel berbasis silicon saat ini lebih efisien, DSC tetap banyak dikembangkan karena proses manufakturnya yang mudah dan jauh lebih murah. Efisiensi secara keseluruhan penemuan dan penelitian DSC mampu mencapai 11% dengan memanfaatkan titanium dioksida (TiO2). Saat ini peneliti pada Universitas Washington menemukan teknik baru yang mengadopsi metode bola popcorn. Ketika cahaya mengenai permukaan sel surya, beberapa persen cahaya dipantulkan. Ide pada efek bola popcorn adalah membuat sebanyak mungkin lapisan sangat tipis, sehingga efisiensi keluaran sel surya dapat berlipat ganda hal inilah yang menjadi dasar dalam penelitian ini. . II. TOERI A. Sel Surya Matahari adalah sumber energi utama yang memancarkan energi yang luar biasa besarnya ke permukaan bumi. Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF)sebagai partikel. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang λ dan frekuensi photon V dirumuskan dengan persamaan: E = h.c/ λ .............. (2.1) Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3 x 108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan sebuah divais semikonduktor. Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor, lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif), sedangkan semikonduktor jenis p
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik B. Efisiensi Sel Surya
Karakteristik keluaran daya sel surya ketika diberikan sinar matahari tegangan open-circuit (Voc), Arus short circuit Isc, dan Maximum Power Point (MPP), dan arus tegangan pada MPP : Impp,Vmpp. Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan opencircuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP) seperti pada Gambar 2.1
2
mempunyai struktur kristal tetragonal. D. Jahe Merah Dye yang digunakan dalam DSCC ini adalah ekstraksi jahe merah. Elektroda kerja terbuat dari kaca ITO yang berukuran 2 X 2 pada permukaan konduktifnya dilapisi deposisi semikonduktor larutan TiO2 nano. Pelapisan pedeposisi semikonduktor ini dilakukan dengan metode spin coating , dimana kecepatan masing-masing spin yaitu kecepatan 500 rpm selama 40 sekon dilanjutkan dengan kecepatan 1000 rpm selama 100 sekon dilanjutkan lagi dengan kecepatan 2000 rpm selama 100 sekon. Pembuatan sandwich DSCC yaitu dengan cara kaca ITO yang terlapisi TiO2 yang telah dicampur dye ekstraksi jahe merah yang disebut juga elektroda kerja ditetesi dengan larutan elektrolit kemudian diletakkan oleh kaca yang telah terlapisi karbon yang disebut elektroda pembanding. Terlihat sebuah susunan sandwich yang kemudian dijepit bagian sisi kiri dan kanan. Pengukuran arus dan tegangan pada DSCC dengan menggunakan 2 buah multimeter yang dihubungkan secara paralel pada DSCC. Disini sumber cahaya berupa lampu halogen karena mempunyai karakter yang hampir sama dengan cahaya matahari. E. Prinsip Kerja DSSC Prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer electron. Elektron tereksitasi dari ground state (P) ke excited state (P*): P + e-
P* ............................(2.5)
Gambar 2.1 grafik I-V pada photovoltaic yang bekerja secara normal
Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF) dengan persamaan:
FF =
Vmac I max .................................(2.2) VOC I SC
Sehingga efisiensi sel surya
η=
Pmax ........................................(2.4) Pcahaya
Elektron dari excited state kemudian langsung terinjeksi menuju conduction band (ECB) titania sehingga molekul dye teroksidasi (P+) adanya donor elektron oleh elektrolit (I-) maka molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground state). 2P + 3e- I3- +2P ........................(2.6) adanya katalis pada counter-elektroda, elektron diterima oleh elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I3), akibat donor elektron pada proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron membentuk iodide (I-) I3- + 2e- 3I-............................. (2.7)
C. Titanium Dioksida Titanium dioksida merupakan salah satu material keramik yang biasa disebut titania. Titania dalam bentuk anatase terbentuk melalui hidrolisis halida-halida Ti pada suhu yang tidak terlalu tinggi (sekitar 600°C) atau melalui kalsinasi asam titania yang telah diendapkan pada suhu ± 700°C. Titanium dioksida murni yang dikalsinasi pada suhu tinggi akan selalu menghasilkan fasa rutil Titanium dioksida memiliki tiga bentuk polimorf yaitu anatase, rutil, dan brokit Anatas dan rutil
Iodide ini digunakan untuk mendonor elektron kepada dye yang teroksidasi, sehingga terbentuk suatu siklus transport elektron. Dengan siklus tersebut terjadi konversi langsung dari cahaya matahari menjadi listrik.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
3
III. METODOLOGI A. Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya adalah gelas kimia 100 ml, 250 ml dan 500ml, gelas ukur 10 ml dan 25 ml, magnetik stirrer, hot plate stirer, penjepit/pinset, termometer, pipet, neraca digital ohauss, cawan petri, spatula, selotip,klip binder,gunting, cutter, pensil kayu, penggaris, spacer dari film plastik, multimeter 2 buah dan mortar, TiO2 nano berfase anatase dan rutile, KI 10% solution dan iodin, kaca konduktif tin oxide (ito) berukuran 2 x 2 cm2, larutan dye ekstraksi jahe merah, asam asetat, aqudes, karbon dari pensil 8b,alkohol 98%. B. Metode Kerja Dye yang digunakan dalam DSCC ini adalah ekstraksi jahe merah. Elektroda kerja terbuat dari kaca ITO yang berukuran 2 X 2 pada permukaan konduktifnya dilapisi deposisi semikonduktor larutan TiO2 nano. Pelapisan pedeposisi semikonduktor ini dilakukan dengan metode spin coating , dimana kecepatan masing-masing spin yaitu kecepatan 500 rpm selama 40 sekon dilanjutkan dengan kecepatan 1000 rpm selama 100 sekon dilanjutkan lagi dengan kecepatan 2000 rpm selama 100 sekon. Pembuatan sandwich DSCC yaitu dengan cara kaca ITO yang terlapisi TiO2 yang telah dicampur dye ekstraksi jahe merah yang disebut juga elektroda kerja ditetesi dengan larutan elektrolit kemudian diletakkan oleh kaca yang telah terlapisi karbon yang disebut elektroda pembanding. Terlihat sebuah susunan sandwich yang kemudian dijepit bagian sisi kiri dan kanan. Pengukuran arus dan tegangan pada DSCC dengan menggunakan 2 buah multimeter yang dihubungkan secara paralel pada DSCC. Disini sumber cahaya berupa lampu halogen karena mempunyai karakter yang hampir sama dengan cahaya matahari.
Gambar 4.1 absorbansi dye jahe merah B. Hasil Uji XRD Pada Serbuk Tio2 Sebagai Bahan Semikonduktor Prinsip kerja XRD pada dasarnya sinar x ditembakkan ke material yang diuji.kemudian sinar-X berinteraksi dengan struktur kristal maka akan terbentuk pola-pola difraksi ketika sinar-X melewati celah-celah kecil diantara bidang-bidang kristal tersebut. Pola-pola tersebut menyerupai pola gelap dan terang, pola gelap terbentuk ketika terjadi inteferensi destruktif, sedangkan pola terang terbentuk ketika interferensi konstruktif dari pantulan gelombang- gelombang sinar-X yang saling bertemu Dengan menganalisis puncak-puncak grafik tersebut kristal suatu material dapat diketahui Berdasarkan analisa XRD dengan menggunakan software MAUD diperoleh ukuran serbuk TiO2 yang digunakan dalam penelitian ini yaitu polikristal anatase 14-16 nm, seperti ditunjukkan pada gambar 4.2
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN A. Hasil Uji Spektrofotometer UV Vis pada Dye Jahe Merah Dye ekstraksi jahe merah yang diuji dengan spektrometer UV-Vis untuk mengetahui nilai absorbansi cahaya pada molekul. Cahaya yang dipancarkan, ditembakkan ke dye , molukel dye menyerap sinar ultraviolet pada energi tertentu, absorbansi meningkatkan energi elektronik sebuah molekul cahaya. Berdasarkan hasil uji spektrofotometer terjadi absorbasi yang hampir merata dari range panjang gelombang 400 – 1100 nm dengan peak (puncak gelombang) dirange panjang gelombang 635-680 nm dan 950 nm. Dengan puncak penyerapan yang terjadi pada cahaya ultra violet (UV) dan infrared (NIR) dapat diketahui bahwa jahe merah dapat memaksimalkan kerja penyerapan pada waktu pagi , siang dan sore. Seperti ditunjukkan gambar grafik 4.1
Gambar 4.2 Grafik hasil Uji XRD TiO2 anatase
Pada Gambar 4.2 merupakan pola difraksi sinar X pada fase anatase . indentifikasi fase anatase terlihat dari letak puncak (peak) pola difraksi. Hasil pengujian difraksi dari sempel lain didapatkan pola seperti pada Gambar 4.3. hasil pengujian
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
4
didapatkan pola pada Gambar 4.3, hasil identifikasi fase menunjukkan adanya fase rutile
Gambar 4.3 Grafik hasil Uji XRD TiO2 rutile
Secara fotokatalitik, struktur anatase menunjukkan aktivitas yang lebih baik dari segi kereaktifan dari struktur rutile (Su,2004). Struktur anatase merupakan bentuk yang paling sering digunakan karena memiliki luas permukaan serbuk yang lebih besar serta ukuran partikel yang lebih kecil dibandingkan dengan struktur rutile dan struktur ini muncul pada rentang suhu pemanasan dekomposisi senyawa titanium (400-650°C).
C. Pengujian Daya yang Dihasilkan Oleh DSSC Pengukuran arus dan tegangan pada DSSC dengan metode spin coating dan membandingka hasil pengukuran arus dan tegangan pada DSCC dengan variasi larutan TIO2 yang berfase anatase dan rutile dimana masing –masing fase ini diacampur dye dengan beberapa tetes dye jahe merah pada waktu distirer dengan menunggu 24 jam berikut grafik yang diperoleh
Gambar 4.3. Grafik karakteristik I-V DSSC berukuran 2 cm x 2cm dengan variasi dye yang dicampurkan pada larutan TiO2 (sampel A) dan dye yang diteteskan pada lapisan TiO2 (sampel B) pada substrat ITO .
Gambar 4.4 Grafik karakteristik I-V DSSC berukuran 2 cm x 2cm dengan variasi dye yang dicampurkan pada larutan TiO2 (sampel A) dan dye yang diteteskan pada lapisan TiO2 (sampel B) pada substrat ITO
Karakteristik arus dan tegangan pada DSCC yang berfase anatase memiliki daya yang stabil dibandingkan dengan karaketristik arus dan tegangan pada DSCC yang berfase rutile terlihat tidak stabil. Pada gambar garfik berfase anatase, diperlihatkan tegangan open-circuit (Voc), Arus short circuit Isc, dan Maximum Power Point (MPP), dan arus tegangan pada MPP : Impp,Vmpp. Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan opencircuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP) Pada DSCC yang berfase anatase terdapat nilai arus maksimum sekitar 52 µA dan nilai tegangan 512 mV pada grafik ini terlihat terjadinya nilai arus yang konstan dari 0 mv – 300 mv selanjutnya turun perlahan dan pada fase anatase dengan TiO2 yang ditetesi dye kemudian di tunggu 24 jam terlihat arus maksimum 19 µA dan tegangan maksimum 330 mV dan pada grafik ini hampir terjadi bernilainya arus yang konstans dan kemudian arus perlahan-lahan turun. Sedangkan pada berfase rutile terlihat grafik nilai arus dan tegangan yang turun drastis. Hal ini terlihat pada grafik rutile pada TiO2 dicampur dye terlihat nilai arus maksimum sekitar 17,1 µA dan kemudian tegangan maksimum berkisar 415 mV hal ini lebih baik jika dibandingkan dengan TiO2 yang ditetesi dye kemudian di tunggu 24 jam dimana nilai dari arus maksimumnya berkisar 12,1µA sedangkan tegangan maksimum berkisar 317 mV disini bentuk grafik linear yang mana tegangan dan arus berbanding lurus tanpa adanya nilai arus konstan yang terbentuk. V. KESIMPULAN Kesimpulan yang diambil dari penelitian ini adalah 1. Fabrikasi DSCC dengan menggunakan bahan TiO2 nano sebagai bahan semikonduktor dengan ekstraksi jahe merah sebagai dye dapat mengkorvensi energi cahaya menjadi energi listrik
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) 2. Pengukuran arus dan tegangan variasi lapisan larutan TiO2 fase anatase lebih besar dan lebih stabil dibandingkan dengan TiO2 fase rutile. 3. Pengukuran arus dan tegangan variasi larutan TiO2 yang dicampurkan ekstraksi dye saat distirer menghasilkan arus dan tegangan lebih besar dibanding larutan TiO2 yang ditetesi dye dan ditunggu selama 24 jam. . DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
[8]
Ahrens, C. Donald. [2003],Meteorology Today, An introduction to weather, climate, and environment. Thomson learning, Inc. Amerika . Grätzel, Michael, 2003, Dye-Sensitised Solar Cells, journal of Photochemistry and Photobiology, Vol.4, 145-153. Wenham Stuart R Et All. 2007.”Applied Photovoltaic”. UK And USA : Earthscan.. Http://Jahemerah.Org/Kandungan-Senyawa-Dan-Manfaat-Jahe-Merah/. Wendy.2009. Titanium Dioxide (TiO2) Fotokatalis Yang Potensia
. Diakses Tanggal 10 oktober 2012. Wurfel , Peter .2005.”Physics Of Solar Cells Form Priciples T New Concept “. Weinheim : Wiley Vch Verlug Cimbhn & Co. Halme, Janne. 2002. “ Dye Sensitized Nanostructured And Organic Photovoltaic Cells : Technical Review And Preeleminary Test,”Helsinki University Of Tecnology ,Esopo, Finland. Smestad , G.P., And Gratzel, M. 1998, Demonstrating Electron Transfer And Nanotechnology : A Natural Dye Sensitized Nanocrystalline Energy Converter, J.Chem.Educ., 75, 752-756
5
