Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Terapan IV Departemen Fisika, FST, Universitas Airlangga, Surabaya, 15 Nopember 2014 ISSN :2407-2281 PENGGUNAAN EKSTRAK DAUN BINAHONG (BASSELA RUBRA LINN) SEBAGAI ZAT PEKA CAHAYA TiO2-NANO PARTIKEL DALAM DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) Hardani2, Hendra2, Muh. Iman Darmawan2, Cari1, Agus Supriyanto1 1. Dosen Ilmu Fisika, Universitas Sebelas Maret, Surakarta 2. Mahasiswa S2 Ilmu Fisika, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Email (contact person);
[email protected] Abstrak Dye-sensitized solar cell (DSSC) merupakan salah satu dari sel-sel listrik fotokimia yang terdiri dari fotolektroda, pewarna, elektrolit, dan counter elektroda. Tujuan menggunakan pewarna pada DSSC guna memperluas spektrum absorpsi pada cahaya tampak karena cahaya tampak memiliki sekitar 96% energi dari cahaya matahari.Telah dilakukan fabrikasi DSSC dengan menggunakan dye ekstrak daun binahong (Bassela rubra linn) dengan variasi perendaman TiO2 dengan teknik pelapisan Spin Coating. Variasi perendaman TiO2 yang digunakan yaitu substrat TiO2 yang direndam dalam dye selama 4 jam, 8 jam, 12 jam, 24 jam dan 36 jam. Berdasarkan hasil pengujian menggunakan sumber cahaya lampu halogen. diperoleh karakteristik dari DSSC tersebut adalah Voc 0,177 V, Isc 0,00038 A, P max 2,32 x 10-5 Watt, FF 5,09 x 10-5 untuk sampel ekstraksi daun binahong, Voc 0,1075 V, Isc 0,00012 A, P max 5,22 x 10-5 Watt, FF 6,23 x 10-5 untuk sampel ekstraksi euphorbia. Sedangkan untuk sampel ekstraksi daun rhoeo discolor diperoleh Voc 0,370 V, Isc 0,00035 A, P max 5,45 x 10-5 Watt, FF 0,057. Dengan teknik perendaman TiO2 pada masing-masing dye akan menghasilkan nilai tegangan dan arus yang lebih besar dan waktu preparasi yang lebih efisien. Pada penelitian ini telah berhasil dibuat elektroda foto-anoda berbahan titanium dioksida (TiO2) ukuran nanopartikel berbentuk film tebal (thick film) yang dideposisikan diatas gelas transparan konduktif FTO (fourine doped-tin oxide) dengan metode spin coating, suatu metode percepatan larutan pada substrat yang diputar. Hasil menunjukkan bahwa pewarna alami dari ekstraksi bahan alam memiliki spektrum absorbansi kisaran 300-520 nm yang merupakan zat hijau daun (klorofil) dan konduktivitas terbesar dimiliki oleh daun binahong. Foto-anoda TiO2 kemudian diaplikasikan sebagai elektroda kerja pada DSSC dengan ekstrak daun binahong (Bassela rubra linn) sebagai sensitizer. Dari hasil pengujian menggunakan solar simulator AM 1.5G (100 mW/cm2) didapatkan bahwa volume prekursor TiO2 mempengaruhi unjuk kerja sel surya DSSC dan diperoleh overall conversion efficiency mencapai 0,01 % untuk dye daun binahong, 0,023% untuk dye bunga euphorbia dan 0,024% untuk dye rhoe discolor. Kata kunci: Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), Sensitizer, Fourine doped-Tin Oxide (FTO), Klorofil, Spin Coating fungsi penyerapan cahaya dengan transport pembawa muatannya. DSSC memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan sel surya komersial berbasis silikon diantaranya murah, pembuatannya mudah, serta memiliki efisiensi tinggi walau pada intensitas cahaya yang kurang. Komponen-komponen didalam DSSC pada umumnya terdiri dari elektroda kerja berupa elektroda foto-anoda dari bahan semikonduktor (misalkan: TiO2 dan ZnO), dye sebagai sensitizer yang menyerap cahaya matahari, pasangan redox berupa triodide/iodide, dan counter elektroda berbahan Platina (Pt). Sedangkan kelemahan dari sel surya berbasis silikon tidak hanya harganya yang mahal, juga spektrum penyerapan terlalu sempit. Diketahui distribusi energi dari sinar matahari terdiri sekitar 4% ultraviolet dan cahaya tampak 96%. Spektrum utama penyerapan sel surya silikon adalah ultraviolet dan ungu. Ini menunjukkan sel surya silikon tidak dapat menggunakan hampir 96% energi dari cahaya matahari. Upaya untuk memperluas spektrum serapan dari daerah ultraviolet hingga wilayah cahaya tampak
1. PENDAHULUAN Sel surya berdasarkan perkembangan teknologi saat ini dan bahan pembuatannya dapat dibedakan menjadi tiga yaitu pertama, sel surya yang terbuat dari silikon tunggal, dan silikon multi kristal. Kedua, sel surya tipe lapis tipis dan yang ketiga sel surya organik (Dye Sensitized Solar Cell). Sel surya konvensional berupa sambungan p-n junction yang terbuat dari bahan semikonduktor seperti silikon, masih mahal untuk dikembangkan karena menggunakan teknologi yang canggih. Hingga ditemukan oleh Gratzel yaitu sel surya organik, DSSC sebagai sel surya dengan dye sensitizer dari bahan organik dapat dikembangkan dengan biaya yang murah serta fabrikasi mudah. Salah satu energi alternatif yang mempunyai potensi sangat besar namun belum dimanfaatkan secara maksimal adalah sel surya (photovoltaic/solar cell) yang mampu mengkonversi sinar matahari secara langsung menjadi energi listrik. DSSC berbeda dengan sel surya komersial berbasis silikon, dimana pada sel surya DSSC ini terjadi pemisahan antara
A4
Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Terapan IV Departemen Fisika, FST, Universitas Airlangga, Surabaya, 15 Nopember 2014 ISSN :2407-2281 sekarang diaplikasikan sebagai Dye Sensitized Solar Cell, dimana pewarna dapat membantu DSSC untuk memperluas spektrum penyerapan. Kesulitan teknis pengembangan DSSC untuk memperpanjang masa pakai DSSC dan meningkatkan penyerapan kuantitas cahaya matahari, karena pewarna organik dengan mudah akan busuk. Semua pertanyaan untuk dye adalah sangat menarik dan layak untuk dipelajari. Penelitian menyajikan beberapa data eksperimen dari berbagai bahan alam yang dapat digunakan sebagai bahan sensitizer. Analisis bahan dilakukan pada sifat optik dan listrik bahan organik dari ekstrak daun binahong (Bassela rubra linn), bunga euphorbia dan daun rhoeo discolor. Hasil ekstrak dari bahan alam yang digunakan dalam penelitian menunjukkan absorbansi kisaran 300-520 nm. Metode yang umum digunakan untuk membuat thick film TiO2 adalah dengan melapiskan pasta nanopartikel TiO2 di atas gelas transparan konduktif (gelas FTO) menggunakan metode doctor blade / Slip Casting. Namun metode ini memiliki kelemahan, sulit mendapatkan film dengan ketebalan yang konsisten. Pada penelitian ini menggunakan metode spin coating, dengan metode ini terbukti menghasilkan film dengan ketebalan terkontrol dan memiliki homogenitas tinggi serta proses yang simpel. Ketebalan film yang terkontrol memungkinkan untuk mendapatkan film dengan pengulangan yang konsisten. Untuk mendapatkan DSSC dengan effisiensi tinggi ketebalan film pada elektroda foto-anoda TiO2 yang optimum karena ketebalan film ini mempengaruhi proses penyerapan cahaya (ligh absorption).
kembali ke dalam sel dan dibantu oleh platina sehingga dapat bereaksi dengan elektrolit yang menyebabkan penambahan ion iodide pada elektron. Kemudian satu ion iodide pada elektrolit mengantarkan elektron yang membawa energi menuju dye teroksidasi. Elektrolit menyediakan elektron pengganti untuk molekul dye teroksidasi. Sehingga dye kembali ke keadaan awal. Secara umum, Gambar 1 menunjukan DSSC terdiri dari dye-sensitized yang terbuat dari bahan organik, lapisan TiO2 nanokristal, larutan elektrolit yang mengandung pasangan redoks I-/I3- dan substrat kaca FTO sebagai elektoda kerja. Faktor luar area dan ketebalan lapisan semikonduktor yang mengatur peningkatan beban dye, kemudian kerapatan optis yang menghasilkan efisiensi penyerapan cahaya. Kerapatan optis menyatakan ukuran transmisi suatu elemen optik dengan panjang gelombang tertentu. Jika dihubungkan dengan pemberian radiasi pada suatu objek, maka kerapatan optisnya merupakan perbandingan antara intensitas awal dan intensitas transmisi.
Pada dasarnya prinsip kerja DSSC mengkonversi energi cahaya ke listrik dalam skala molekular dalam bentuk reaksi dari transfer elektron. Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada dye akibat absorbsi foton. Dimana ini merupakan salah satu peran dari sifat TiO2. Ketika foton dari sinar matahari menimpa elektroda kerja pada DSSC, energi foton tersebut diserap oleh dye yang melekat pada permukaan TiO2. Sehingga dye mendapatkan energi untuk tereksitasi. Dye tereksitasi membawa energi dan diinjeksikan ke pita konduksi pada TiO2. TiO2 berperan sebagai akseptor atau kolektor elektron. Molekul dye yang ditinggalkan kemudian dalam keadaan teroksidasi. Selanjutnya elektron akan ditransfer melewati rangkaian luar menuju elektroda pembanding (elektroda yang mengandung lapisan platina). Elektrolit (pasangan iodide dan triodide) yang bertindak sebagai mediator elektron sehingga dapat menghasilkan proses siklus dalam sel. Ion Triodide menangkap elektron yang berasal dari rangakaian luar dengan bantuan molekul platina sebagai katalis. Elektron yang tereksitasi masuk
Gambar 1 Skema DSSC
DSSC berbentuk struktur sandwich, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 dengan dye dan elektroda pembanding yang terbuat dari kaca FTO dilapisi platina yang mengapit elektrolit membentuk sistem sel fotoelektrokimia. Elektroda pembanding terbuat dari kaca FTO yang dilapisi dengan platina karena memiliki konduktivitas yang cukup dan resistansi panas dan aktivitas elektrokatalitik dari reduksi triiodide. TiO2 adalah material fotokatalis yang memiliki daya oksidasi yang kuat, photostabilitas yang tinggi dan selektivitas redoks. Syarat penting untuk meningkatkan aktivitas katalis dari TiO2 adalah meningkatkan luas permukaan dari TiO2 yang bergantung pada ukuran kristalnya.
A5
Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Terapan IV Departemen Fisika, FST, Universitas Airlangga, Surabaya, 15 Nopember 2014 ISSN :2407-2281 Sifat fisis dan kimia dari TiO2 bergantung pada ukuran, morfologi dan struktur kristalnya. TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yaitu anatase, rutile, dan brookite. Kristal TiO2 fase anatase memiliki kemampuan yang lebih aktif daripada rutile. Anatase dianggap sebagai fase yang paling menguntungkan untuk fotokatalisis dan konversi solar energi. TiO2 hanya mampu menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm). Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah tampak, dibutuhkan lapisan zat warna yang akan menyerap cahaya tampak. Zat warna tersebut berfungsi sebagai sensitizer. Gambar 2 Grafik I-V pada photovoltaic yang bekerja secara
2. EKSPERIMEN
normal
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari ekstrak daun binahong (Bassela rubra linn) terhadap peningkatan effisiensi sel surya berbasis DSSC dan mengetahui karakterisasi sifat listrik dari ekstrak daun binahong (Bassela rubra linn). Ekstraksi diuraikan pada sub bagian berikut.
FF =
(1)
dimana FF = fill factor I max = arus maksimun V max = tegangan maksimum Isc = arus yang dihasilkan pada keadaan short circuit V oc = tegangan input
2.1 Ekstraksi Pewarna Alami Bahan-bahan yang hendak diekstraksi dibersihkan dengan air, kemudian sebanyak 10 gram masing-masing bahan dihaluskan dengan mortal dan setelah halus tiap bahan dicampur 35 ml etanol diaduk selama 30 menit 200 rpm menggunakan vortex stirrer pada suhu kamar. Setelah diaduk kemudian didiamkan selama 24 jam dan disaring menggunakan kertas saring Filter Paper 103. Setelah penyaringan simpan larutan dalam wadah tertutup dan terlindung dari sinar matahari.
ᶯ=
100 % =
100%
(2)
Pengukuran konduktivitas menggunakan Elkahfi 100/IV-Meter dilakukan dalam keadaan gelap dengan menutup semua bagian wadah menggunakan aluminium foil dan di bawah penyinaran menggunakan sumber cahaya lampu halogen 100 mW/cm2 dan energi intensitas 680.3 W/m2. Lampu halogen digunakan karena memiliki spektrum penuh yang mirip cahaya tampak dengan sinar matahari. Dari hasil pengukuran I-V kemudian ditentukan konduktivitas (σ) bahan. Untuk menentukan konduktivitas larutan organik dapat menggunakan persamaan:
2.2 Analisis Penyerapan Kandungan tiap-tiap bahan hasil ekstraksi dianalisa menggunakan Spectrofotometer UV Visible shimadzhu 1601 PC untuk menentukan sifat absorbansi bahan. Rentang panjang gelombang analisis penyerapan spektrum di cahaya tampak 300 – 800 nm. dari hasil pengukuran sifat absorbansi kemudian diketahui jenis kandungan dye dari bahan alam.
= =
2.3 Konduktivitas bahan
(3) =
(4)
Dimana σ adalah konduktivitas (ohm-1.m-1), R adalah resistansi (Ohm), l adalah jarak antara dua elektroda (m) dan A adalah penampang permukaan daerah elektroda (m2).
Sifat kelistrikan dapat diukur dengan menggunakan voltmeter dan amperemeter dengan variable beban. Pengukuran fill factor (FF) dan efisiensi (η) solar energi menurut persamaan 1, berdasarkan gravik I-V seperti ditunjukkan Gambar 2
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian menggunakan bahan organik seperti daun binahong, bunga euphorbia dan daun rhoeo discolor diekstrak menggunakan etanol dengan perbandingan tetap 10 gram bahan organik 35 ml pelarut. Kemudian diuji absorbansi menggunakan
A6
Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Terapan IV Departemen Fisika, FST, Universitas Airlangga, Surabaya, 15 Nopember 2014 ISSN :2407-2281 Spectrofotometer UV Visible shimadzhu 1601 PC dan pengukuran Arus-Tegangan menggunakan I-V meter/elkahfi 100 dari I-V untuk mengetahui nilai konduktivitas dye.
daun binahong bunga euphorbia daun rhoeo discolor 7 6 5 Absorbansi
Daun Binahong 1.50E-03 Ampere
1.00E-03 5.00E-04
0.00E+00 -5.00E-04 0
5
10
2
keadaan terang
0 200
1
600
700
800
900
Gambar 3.3 menunjukkan bahwa perbandingan tetap antara berbagai bahan organik dan pelarut menghasilkan absorbansi yang berbeda. Hal ini menunjukkan spektrum pewarna diekstrak dari berbagai bahan organik memiliki spektrum penyerapan yang berkisar 300 – 580 nm.
3.00E-03 gelap
U ji Kethley Daun B in ahong
Am pere gelap Am pere terang
Voltage
terang
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0.008
2 4 Voltage
6
Terang
0.006
Gelap 0.004 Ampere gelap
Ampere
500
Gambar 3.3 Absorbansi dye daun binahong, bunga euphorbia dan daun rhoeo discolor menggunakan Spectrofotometer UV Visible shimadzhu 1601 PC
4.00E-03
-1.00E-03 0
400
Panjang Gelombang
Daun Rhoeo Discolor
0.00E+00
300
-1
Gambar 3.1 Konduktivitas dye daun binahong menggunakan I-V Meter / Elkahfi
1.00E-03
3
keadaan gelap
Voltage
2.00E-03
4
Gambar 3.2 Konduktivitas dye daun rhoeo discolor menggunakan I-V Meter / Elkahfi
0.002 0 -1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-0.002 -0.004 -0.006
Dari gambar 3.1 menunjukkan kurva I-V nilai konduktivitas dari dye daun binahong menghasilkan arus pada keadaan gelap maximum sebesar 1,15 x 10-3 A lebih tinggi dibandingkan arus pada keadaan terang yaitu 8,8 x 10-4 A. Sedangkan pada gambar 3.2 menunjukkan kurva I-V nilai konduktivitas dari dye daun rhoeo discolor pada arus gelap 3,42 x 10-3 A dan pada arus terang yaitu 3,45 x 10-3 A sehingga pada arus terang lebih besar dari pada arus gelap. Hal ini membuktikan sifat listrik dari dye daun rhoeo discolor lebih baik dibandingkan sifat listrik dari dye daun binahong.
-0.008
Voltage
Gambar 3.4 Pengujian karakteristik DSSC dari dye daun binahong menggunakan Kethley U ji K e th le y R h o e o D is c o l o r
A m p e re g e la p A m p e re t e ra n g
V o lta g e -1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
0 .0 0 5
T e ra n g
0 .0 0 4
G e la p
0 .0 0 3
Ampere gelap
0 .0 0 2 0 .0 0 1 0 -1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
-0 .0 0 1 -0 .0 0 2 -0 .0 0 3
V o lta g e
Gambar 3.5 Pengujian karakteristik DSSC dari dye daun rhoeo dicolor menggunakan Kethley.
A7
Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Terapan IV Departemen Fisika, FST, Universitas Airlangga, Surabaya, 15 Nopember 2014 ISSN :2407-2281 Dari gambar 3.4 dan gambar 3.5 menunjukkan bahwa karakteristik dari sel dye daun rhoeo discolor lebih bagus dibandingkan sel dye daun binahong. Secara otomatis tingkat efisiensi dye daun rhoe discolor lebih tinggi dari dye daun binahong. Untuk lebih jelasnya spesifikasi DSSC dapat dilihat pada tabel Spesifikasi DSSC di bawah ini. Tabel 1 Spesifikasi DSSC
Bahan organik Daun Binahong Bunga Euphorbia Daun Rhoeo Discolor
Imax (Ampere) 1,8 x 10-4 4,86 x 10-4 1,9 x 10-4
Vmax (Volt) 0,1249 0,1075 0,280
Isc (Ampere)
Voc (Volt)
3,89 x 10-4 1,20 x 10-4 3,5 x 10-4
0,177 0,1075 0,370
Fill Factor 5,09 x 10-8 6,23 x 10-8 8,06 x 10-3
Efisiensi (%) 0,01 0,023 0,024
Dari tabel dapat dilihat bahwa efisiensi tertinggi dihasilkan oleh dye daun rhoe discolor sebesar
0,024%, bunga euphorbia 0,023% dan daun binahong 0,01%.
4. KESIMPULAN
DAFTAR PUSTAKA
1.
2.
3.
4.
Pengukuran dan analisis penyerapan spektrum pewarna alam ekstrak dari daun binahong, bunga euphorbia dan daun rhoeo discolor telah dilakukan dengan perbandingan massa bahan alam dan volume pelarut dijaga tetap. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pewarna diekstrak dari bahan alam tersebut memiliki spektrum penyerapan di panjang gelombang antara 300 – 580 nm. Pengukuran I-V Meter/Elkahfi digunakan sumber tegangan sama sebesar 9 volt menghasilkan arus listrik dari dye daun rhoeo discolor lebih besar daripada dye daun binahong. Hasil pengukuran absorbansi mulai yang terbesar sampai terkecil yaitu berturut-turut dari ekstrak daun binahong, daun rhoeo discolor dan bunga euphorbia. Hal ini menjadikan bahan organik perlu untuk di selidiki sebagai bahan sensitizer DSSC. Efisiensi yang tertinggi dihasilkan oleh ekstrak daun rhoeo discolor 0,024%, sedangkan ekstrak bunga euphorbia 0,023% dan ekstrak daun binahong 0,01% .
Teguh Priyambodo, Pembangkit Listrik Tenaga Surya: Memecah Kebuntuan Kebutuhan Energi Nasional dan Dampak Pencemaran Lingkungan, URL: http://www.chem-istry. org/?sect=artikel&ext=114 (Diakses 15 Juli 2014). Hagfeldt A., Didriksson B., Palmqwist T.,Lindstrom H., Sodergren S., Rensmo H. And Lindquist S-E, Solar Energy Mater. And Solar Cells (1994), Verification of high efficiencies for the Gratzel-cell. A 7% efficient solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films,Vol. 31, pp 481 – 488. Ma T., Akiyama M., Abe E., and Imai I, Nano Letters (2005), High-efficiency dye-sensitized solar cell based on a nitrogen-doped nanostructured titania electrode, Vo. 5, pp 2543 – 2547. Lin T-W., Lin J-R., Tsai S-Y., Lee J-N., dan Ting C-C., 2007, Absorption Spectra Analysis of Natural Dyes for Applications in Dye-Sensitized Nano Solar Cells, The 31st National Conference on Theoretical and Applied Mechanics, December 21-22, 2007, ISU, Kaohsiung, Taiwan, R.O.C.
UCAPAN TERIMAKASIH Peneliti mengucapkan terimakasih kepada pengelola Laboratorium MIPA UNS Surakarta dan dukungan dari LPPM hibah pasca UNS Surakarta dengan No. 301A/ UN27/ PN/ 2014.
A8
Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Terapan IV Departemen Fisika, FST, Universitas Airlangga, Surabaya, 15 Nopember 2014 ISSN :2407-2281
Grätzel, M., 2006. Photovoltaic performance and long-term stability of dyesensitized meosocopic solar cells. Elsevier: C. R. Chimie 9 (2006) 578– 583. Grätzel, M., 2003. Dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153 Kalyanasundaram K., Gra¨tzel M., 1998, Applications of functionalized transition metal complexes in photonic and optoelectronic devices, Coordination Chemistry Reviews, 77 (1998) 347 – 414
Purwanto A., Widiyandari H., and Jumari A., Thin solid Film (2012), Fabrication of high performance fluorine doped– tin oxide film using flame-assisted spray deposition, Vol. 520 pp. 2092– 2095. Agarwala S., Kevin M., Wong A.S.W., Peh C.K.N., Thavasi V., and Ho G. W., ACS Applied Materials & Interfaces (2010), Mesophase ordering of TiO2 film with high surface area and strong lihgt harvesting for dye-sensitized solar cell, Vol. 2, pp 1844 – 1850.
A9
