SKRIPSI KAJIAN PEMBUATAN LAPIS TIPIS TiO2-EKSTRAK KULIT MANGGIS (Garcinia Mangostana L.) SEBAGAI ELEKTRODA KERJA DALAM SEL SURYA BERBASIS SENSITISER ZAT WARNA
Muhammad Ma’ruf 02/156813/PA/08956
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh derajat Sarjana Sains Ilmu Kimia
Pembimbing: Dr. Indriana Kartini, M.Si. Dr. rer. nat. Nurul Hidayat Aprilita, M.Si.
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA JOGJAKARTA 2007
i
UNDERGRADUATE THESIS PREPARATION OF TiO2-EXTRACT OF THE RIND OF MANGOSTEEN (Garcinia Mangostana L.) FILM FOR DYE SENSITIZED SOLAR CELLS
Muhammad Ma’ruf 02/156813/PA/08956
Submitted to fulfill one of the requirements to obtain the degree of Sarjana Sains in Chemistry
Supervisors : Dr. Indriana Kartini, M.Si. Dr. rer. nat. Nurul Hidayat Aprilita, M.Si.
CHEMISTRY DEPARTMENT FACULTY OF MATHEMATICS AND NATURAL SCIENCES GADJAH MADA UNIVERSITY JOGJAKARTA 2007
ii
HALAMAN PENGESAHAN KAJIAN PEMBUATAN LAPIS TIPIS TiO2-EKSTRAK KULIT MANGGIS (Garcinia Mangostana L.) SEBAGAI ELEKTRODA KERJA DALAM SEL SURYA BERBASIS SENSITISER ZAT WARNA
Muhammad Ma’ruf 02/156813/PA/08956
Dinyatakan lulus ujian skripsi dalam Ujian Skripsi Pada tanggal 6 Januari 2007 DEWAN PENGUJI
Dr. Indriana Kartini, M.Si.
Dr. AH Bambang Setiaji
Ketua/Pembimbing I
Anggota
Dr. rer. nat. Nurul Hidayat Aprilita, M.Si.
Dr. Bambang Rusdiarso, DEA
Anggota/Pembimbing II
Anggota
iii
PRAKATA Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi berjudul “Kajian Pembuatan Lapis Tipis TiO2-Ekstrak Kulit Manggis (Garcinia Mangostana L.) sebagai Elektroda Kerja dalam Sel Surya Berbasis Sensitiser Zat Warna”. Penyelesaian penulisan skripsi ini tak lepas dari kemurahan hati dan bantuan dari berbagai pihak, karena itu dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Indriana Kartini sebagai dosen pembimbing I yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan pada penulis selama pelaksanaan penelitian dan penulisan skripsi. 2. Bp. Dr. rer. nat. Nurul Hidayat Aprilita sebagai dosen pembimbing II yang telah membimbing penulis dan memberikan arahan dalam penulisan skripsi. 3. Pimpinan dan seluruh staf Laboratorium Kimia Anorganik yang telah memberikan fasilitas dan bantuan selama penelitian. 4. Bapak, Ibu, kakak dan adikku tersayang serta seluruh keluarga atas doa, kasih sayang dorongan semangat serta pengorbanan material maupun spiritual untuk studi penulis. 5. RUT XII sebagai sumber dana terlaksananya penelitian ini. 6. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu dan telah memberikan bantuan secara langsung maupun tidak langsung. Penulis menyadari bahwa masih banyak terdapat kekurangan dalam skripsi ini, sehingga penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk lebih menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua terutama untuk para peneliti selanjutnya. Jogjakarta, November 2006 Penulis
iv
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL .............................................................................................. i HALAMAN PENGESAHAN.............................................................................. iii PRAKATA…. ....................................................................................................... iv DAFTAR ISI ........................................................................................................ vi DAFTAR GAMBAR............................................................................................ ix DAFTAR TABEL ................................................................................................ xi DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xii INTISARI….. ..................................................................................................... xiii ABSTRACT… .................................................................................................... xiv BAB I PENDAHULUAN................................................................................... 1 I.1 Latar Belakang.................................................................................... 1 I.2 Tujuan Penelitian .............................................................................. 10 I.3 Manfaat Penelitian ............................................................................ 11 BAB II TINJAUAN PUSTAKA........................................................................ 12 II.1 Sel Surya Berbasis Sensitiser Zat Warna (DSSC)........................... 13 II.2 Sensitiser DSSC .............................................................................. 19 II.3 Zat warna alami antosianin.............................................................. 22 II.4 Buah Manggis.................................................................................. 24 II.4.1 Morfologi dan taksonomi buah manggis.............................. 24 II.4.2 Manfaat kulit buah manggis ................................................. 25 II.4.3 Kandungan kimia kulit buah manggis.................................. 25 II.4.4 Ekstraksi zat warna............................................................... 25 BAB III LANDASAN TEORITIK, HIPOTESIS DAN RANCANGAN EKSPERIMEN.................................................................................. 27 III.1 Landasan Teoritik........................................................................... 27 III.1.1 Sel surya berbasis sensitiser zat warna................................ 27 III.1.2 Prinsip kerja sel surya berbasis sensitiser zat warna........... 29 III.1.3 Kinerja sel surya.................................................................. 30 III.1.4 Titanium dioksida ............................................................... 32
vi
III.1.5 Teknik pelapisan TiO2 pada substrat kaca .......................... 37 III.1.6 Zat warna sebagai sensitiser sel surya................................. 38 III.1.7 Adsorpsi zat warna pada lapis tipis TiO2 ............................ 40 III.1.8 Metode analisis dengan spektrofotometer UV-Vis ............. 42 III.2 Hipotesis......................................................................................... 43 III.3 Rancangan Eksperimen.................................................................. 45 BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ........................................................ 47 VI.1 Bahan dan Alat............................................................................... 47 VI.1.1 Bahan .................................................................................. 47 VI.1.2 Alat...................................................................................... 47 VI.2 Prosedur Penelitian ........................................................................ 48 VI.2.1 Preparasi lapis tipis TiO2 .................................................... 48 VI.2.1.1 Perlakuan asam terhadap serbuk TiO2 .................. 48 VI.2.1.2 Pencucian substrat kaca ........................................ 48 VI.2.1.3 Pelapisan TiO2 pada substrat kaca ........................ 48 VI.2.2 Ekstraksi zat warna dari kulit buah manggis ...................... 49 VI.2.3 Optimasi adsorpsi ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 ............................................................................................... 50 VI.2.3.1 Variasi pelapisan lapis tipis TiO2.......................... 50 VI.2.3.2 Penentuan waktu interaksi optimum..................... 50 VI.2.3.3 Penentuan konsentrasi awal optimum................... 51 VI.2.4 Karakterisasi ....................................................................... 51 VI.2.4.1 Metode difraksi sinar X ........................................ 51 VI.2.4.2 Spektrofotometri inframerah................................. 52 VI.2.4.3 Scaning Electron Microscopy (SEM) ................... 52 VI.2.4.4 Spektrofotometri UV-Visibel................................ 53 VI.2.5 Kinerja sel surya TiO2 tersensitisasi zat warna ekstrak kulit manggis ......................................................................................... 53 VI.2.5.1 Pembuatan larutan elektrolit ................................. 53 VI.2.5.2 Pembuatan elektroda kerja dan elektroda lawan... 53 VI.2.5.3 Konstruksi sel surya.............................................. 53
vii
VI.2.5.4 Pengukuran I-V sel surya...................................... 54 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 56 V.1 Pembuatan lapis tipis TiO2 di atas substrat kaca............................. 56 V.1.1 Perlakuan asam terhadap serbuk TiO2 P25 (Degussa) ......... 56 V.1.2 Pelapisan TiO2 pada substrat kaca dengan menggunakan teknik spray................................................................................... 58 V.1.3 Karakterisasi serbuk dan lapis tipis TiO2 ............................. 61 V.1.3.1 Karakterisasi gugus fungsional .............................. 61 V.1.3.2 Karakterisasi fasa dan ukuran kristal ..................... 64 V.1.3.2 Karakterisasi morfologi lapis tipis ......................... 69 V.2 Optimasi adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 ............................................................................................... 75 V.2.1 Penentuan ketebalan lapis tipis optimum ............................. 77 V.2.2 Penentuan waktu interaksi optimum .................................... 78 V.2.3 Penentuan konsentrasi optimum........................................... 79 V.3 Kajian serapan elektronik sistem lapis tipis TiO2-ekstrak kulit manggis ......................................................................................... 82 V.4 Karakterisasi sel surya TiO2 dengan menggunakan ekstrak kulit manggis sebagai sensitiser ............................................................ 88 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 95 VI.1 Kesimpulan .................................................................................... 95 VI.2 Saran .............................................................................................. 96 DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 97 LAMPIRAN....................................................................................................... 102
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar I.1 Distribusi jenis sel surya di pasaran dunia tahun 1998 (World market 1998 by Technology dalam Halme, 2002) .............. 6 Gambar II.1 Struktur antosianin.......................................................................... 23 Gambar III.1 Susunan sel surya berbasis sensitiser zat warna ........................... 27 Gambar III.2 Prinsip kerja sel surya berbasis sensitiser zat warna (Kartini, 2004) .............................................................................. 29 Gambar III.3 Tipe kurva I-V dari sel surya ........................................................ 31 Gambar III.4 Struktur kristal TiO2 (Farell, 2001 dalam Heriyanti, 2006).......... 33 Gambar III.5 Pembentukan band gap pada semikonduktor (Hoffmann et al., 1995) ............................................................................................. 35 Gambar IV.1 Susunan sel surya .......................................................................... 54 Gambar IV.2 Kontak pada konstruksi sel surya.................................................. 54 Gambar IV.2 Diagram alat pengukuran I-V sel surya......................................... 55 Gambar V.1 Morfologi permukaan lapisan TiO2 diatas substrat kaca pada perbesaran 3000x (a) teknik slip (Heriyanti, 2006), (b) teknik spray tanpa perlakuan asam (Yufita, 2006) ............................................ 58 Gambar V.2 Grafik hubungan antara berat lapis tipis rata-rata dengan frekuensi pelapisan........................................................................................ 60 Gambar V.3 Spektra FTIR, (a) serbuk TiO2 P25, (b) serbuk TiO2 P25 setelah perlakuan asam dengan HNO3 , dan (c) lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2/HNO3 setelah proses sintering .......................... 62 Gambar V.4 Difraktogram TiO2, (a) serbuk TiO2 P25, (b) serbuk TiO2/HNO3, dan (c) lapis tipis TiO2 pelapisan 5x ............................................. 65 Gambar V.5 Jalur rekombinasi dalam sistem sel surya TiO2 yang dapat diminimalisasi dengan adanya campuran fasa rutile .................... 68
ix
Gambar V.6 Penampang lintang (cross section of bilayer) lapis tipis TiO2 dengan perbesaran 10.000x, (a) lapis tipis pelapisan 1x, (b) lapis tipis pelapisan 5x, dan (c) lapis tipis pelapisan 8x.......... 69 Gambar V.7 Grafik hubungan antara ketebalan lapis tipis dengan banyaknya pelapisan lapis tipis.................................................... 70 Gambar V.8 Scanning electron micrograph permukaan lapis tipis TiO2 pada perbesaran 3000x, (a) lapis tipis TiO2 tanpa perlakuan asam pelapisan 1x (Yufita, 2006), (b) lapis tipis TiO2 dengan perlakuan asam pelapisan 1x ......................................................................... 72 Gambar V.9 Scanning electron micrograph permukaan lapis tipis TiO2, (atas) perbesaran 500x, dan (bawah) perbesaran 3000x, (a) pelapisan 1x, (b) pelapisan 5x, dan (c) pelapisan 8x ............... 73 Gambar V.10 (a) Grafik hubungan berat lapis tipis terhadap jumlah pelapisan lapis tipis, dan (b) grafik hubungan ketebalan lapis tipis terhadap jumlah pelapisan lapis tipis ........................................................... 74 Gambar V.11 Grafik hubungan konsentrasi ekstrak manggis teradsorp versus banyaknya pelapisan lapis tipis..................................................... 77 Gambar V.12 Grafik hubungan konsentrasi ekstrak manggis teradsorp versus waktu interaksi ekstrak manggis dengan lapis tipis TiO2 ............. 79 Gambar V.13 Grafik hubungan konsentrasi ekstrak manggis teradsorp versus konsentrasi awal ............................................................................ 80 Gambar V.14 Spektra elektronik zat warna ekstrak kulit buah manggis, (a) dalam pelarut etanol, dan (b) setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 ............................................................................................... 83 Gambar V.15 Kemungkinan ikatan antara antosianin dengan ion Ti(IV) (Polo et al., 2003).......................................................................... 86 Gambar V.16 Kurva arus listrik versus tegangan, (a) kondisi gelap, (b) kondisi terang .......................................................................... 89 Gambar V.17 Perbandingan nilai Jsc dan efisiensi sel surya (η) yang dibuat dengan sensitiser zat warna alami, (a) dilakukan oleh Heriyanti (2006), (b) sel surya dengan sensitiser ekstrak kulit manggis ...... 92
x
DAFTAR TABEL Tabel II.1 Beberapa penelitian DSSC menggunakan semikonduktor alternatif menggantikan TiO2 (Halme, 2002) ............................................... 14 Tabel II.1 Beberapa penelitian DSSC dengan menggunakan zat warna yang berbeda (Halme, 2002).................................................................. 19 Tabel III.1 Perbandingan sifat TiO2 jenis rutile dan anatase (Fujishima et al., 1999 dalam Heriyanti, 2006) ............................ 34 Tabel III.2 Harga Eg beberapa semikonduktor.................................................... 37 Tabel V.1 Serapan spektra FTIR serbuk dan lapis tipis TiO2 .............................. 62 Tabel V.2 Ukuran fasa kristal serbuk dan lapis tipis TiO2 ................................... 66 Tabel V.3 Komposisi fasa anatase dan rutile serbuk dan lapis tipis TiO2 ........... 67 Tabel V.4 Pergeseran serapan elektronik zat warna ekstrak kulit manggis ......... 84 Tabel V.5 Karakteristik sel surya tersensitisasi ekstrak kulit manggis ................ 90
xi
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Hasil analisis serbuk dan lapis tipis TiO2 dengan metode difraksi sinar X ......................................................................................... 102 Lampiran 2. JCPDS dari TiO2 anatase dan rutile ............................................. 106 Lampiran 3. Hasil analisis serbuk dan lapis tipis TiO2 dengan FTIR ............... 108 Lampiran 4. Daftar berat lapis tipis TiO2 .......................................................... 109 Lampiran 5. Kenaikan berat TiO2 rata-rata pada setiap pelapisan lapis tipis.... 113 Lampiran 6. Hasil pengukuran ketebalan lapis tipis TiO2 pada foto SEM dengan menggunakan software Scion Image........................................... 114 Lampiran 7. Scanning menggunakan spektrofotometer UV-Vis zat warna ekstrak kulit manggis dalam pelarut etanol ............................................. 115 Lampiran 8. Scanning menggunakan DR UV-Vis, zat warna ekstrak kulit manggis setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 ......................... 118 Lampiran 9. Penentuan ketebalan lapis tipis optimum untuk proses adsorpsi.. 121 Lampiran 10. Penentuan waktu interaksi optimum dalam proses adsorpsi ...... 122 Lampiran 11. Penentuan konsentrasi optimum dalam proses adsorpsi............. 123 Lampiran 12. Hasil pengukuran arus listrik (I) dan tegangan (V) .................... 124 Lampiran 13. Penentuan Isc, Voc, Fill Factor (FF) dan efisiensi (η)............... 125 Lampiran 14. Karakterisasi sel surya dengan sensitiser zat warna alami (Heriyanti, 2006) ......................................................................... 126 Lampiran 15. Spesifikasi dan skema alat air brush AB-300 ............................. 127 Lampiran 16. Gambar lapis tipis TiO2 pelapisan 1x, 5x dan 8x ....................... 128 Lampiran 17. Gambar serbuk dan ekstrak kulit buah manggis......................... 128
xii
KAJIAN PEMBUATAN LAPIS TIPIS TiO2-EKSTRAK KULIT MANGGIS (Garcinia Mangostana L.) SEBAGAI ELEKTRODA KERJA DALAM SEL SURYA BERBASIS SENSITISER ZAT WARNA Muhammad Ma’ruf (02/156813/PA/08956) INTISARI Telah dilakukan kajian pembuatan lapis tipis TiO2-ekstrak kulit manggis_yang akan dimanfaatkan sebagai elektroda kerja dalam sistem sel surya berbasis sensitiser zat warna (DSSC). Kajian dilakukan untuk mengetahui karakter lapis tipis TiO2 sebagai substrat zat warna, menentukan kondisi optimum adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 serta mengkaji potensi zat warna ekstrak kulit manggis sebagai sensitiser dalam DSSC. Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2 P25 (Degussa) yang telah dimodifikasi dengan HNO3. Sebanyak 1 gram serbuk TiO2/HNO3 dicampurkan dengan 25 mL larutan HNO3 pH 4,0 dan dideposisikan pada substrat kaca dengan menggunakan teknik pelapisan spray. Lapisan TiO2 pada substrat kaca hasil pelapisan spray dikalsinasi pada suhu 450 oC selama 1 jam. Proses optimasi adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 dilakukan dengan melakukan variasi pelapisan lapis tipis, waktu interaksi dan konsentrasi awal zat warna. Karakterisasi serbuk dan lapis tipis TiO2 dilakukan dengan menggunakan metode difraksi sinar-X, spektrofotometri FTIR dan SEM (Scanning Electron Microscopy). Potensi zat warna ekstrak kulit manggis sebagai sensitiser dalam DSSC dikaji dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis dan melalui karakterisasi kurva arus (I) vs tegangan (v) dari sel surya. Lapis tipis TiO2 hasil pelapisan spray memiliki karakter tersusun atas komposisi fasa kristal ~84 % anatase dan ~16 % rutile, memiliki porositas dan kestabilan mekanis yang cukup baik sehingga dapat digunakan sebagai substrat zat warna yang efektif dalam sistem DSSC. Proses adsorpsi zat warna mencapai optimum pada pelapisan lapis tipis 5x, dengan waktu interaksi 120 menit dan konsentrasi awal 15 % (v/v). Efek sensitisasi zat warna ekstrak kulit manggis ditunjukkan dengan adanya pergeseran merah pada pola serapan elektronik sistem TiO2-zat warna pada daerah tampak dan dihasilkannya arus listrik pada sistem DSSC. Sel surya TiO2 tersensitisasi zat warna ekstrak kulit manggis dalam penelitian ini memiliki nilai tegangan (Voc) sebesar 0,15 V, kerapatan arus (Jsc) sebesar 3,52 µA/cm2, FF sebesar 37,5 % dan efisiensi konversi ~7,73.10-4 %. Kata kunci : lapis tipis TiO2, manggis, adsorpsi, sel surya
xiii
PREPARATION OF TiO2- EXTRACT OF THE RIND OF MANGOSTEEN (Garcinia Mangostana L.) FILM FOR DYE SENSITIZED SOLAR CELLS Muhammad Ma’ruf (02/156813/PA/08956) ABSTRACT In the present work, preparation of TiO2-extract of the rind of mangosteen film for dye sensitized solar cells (DSSC) was studied. The study consists of preparation and characterization of TiO2 films as dye substrate and adsorption of crude extract of rind of mangosteen on TiO2 films. The suspension of TiO2 (Degussa P-25) powder was stirred in aqueous nitric acid at 80 oC, and then evaporated to dryness, giving the nitric acid-adsorbed TiO2 powder. The coating paste was obtained by mixing the nitric acid-adsorbed TiO2 with pH 4.0 of nitric acid solution. TiO2 films were fabricated on glasses by repetitive spray coating and calcined at 450 oC for 1 hour. The adsorption of the dye on the TiO2 film was optimized by varying the TiO2 film thicknesses, adsorption time and the initial concentration of the dye. Characterization of the powder and TiO2 film were performed by X–Ray Diffraction (XRD) technique, FTIR spectrophotometry and Scanning Electron Microscopy. Sensitization study was carried out by comparing the electronic spectra of the dye solution to TiO2 – dye system in visible region. Solar cell characteristic was studied by analyzing its I-V curve. The results showed that TiO2 films fabricated by spray coating have good mechanical stability and porosity, consist of ~84 % anatase and ~16 % rutile. Therefore, the films can be used as effective dye substrate. The adsorption of mangosteen extract on to TiO2 films reached optimum conditions at five times repetitive coating (film thickness of ~ 1.7µm), 120 minutes adsorption time and 15 % (v/v) of initial concentration of the dye. Dye sensitization of TiO2 film was indicated by the observed red shift of electronic spectra of TiO2 – dye system in visible region. Mangosteen extract as natural sensitizer enables a faster and simpler production of cheaper and environmentally friendly solar cells. The resultant DSSC has photogenerated current (Jsc) and voltage (Voc) as high as 3.52 µA/cm2 and 0,15 V respectively, the fill factor (FF) of 37.5 % and global efficiency (η) of ~7.73.10-4 %. Key words : TiO2 film, mangosteen, adsorption, dye sensitized solar cells
xiv
BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang Masalah Upaya mencari sumber energi alternatif yang ramah lingkungan sebagai pengganti bahan bakar fosil masih menjadi topik yang menarik bagi banyak peneliti (Kartini, 2004). Sumber energi fosil merupakan sumber energi yang tak terbarukan, sehingga jika penggunaan fosil semakin meningkat maka sumber energi tersebut suatu saat akan habis. Jurnal Minyak dan Gas dalam Heriyanti (2006) memperkirakan cadangan minyak mentah dunia 1,27 triliun barrel dan untuk gas alam 6.100 triliun kaki kubik. Cadangan sebesar itu bisa bertahan selama 44,6 tahun untuk minyak dan 66,2 tahun untuk gas dengan menggunakan angka konsumsi tahun 2003. Setiap hari jutaan barel minyak mentah dieksploitasi tanpa memikirkan bahwa minyak tersebut merupakan hasil dari proses evolusi alam yang berlangsung selama ribuan bahkan jutaan tahun yang mungkin tak dapat terulang lagi pada masa mendatang. Tabel I.1 Cadangan dan produksi sumber energi fosil Indonesia (DESDM, 2004 dalam Heriyanti, 2006) Cadangan (R) Produksi pertahun (P) Minyak bumi 5.109 BOE 0,5.109 BOE Gas bumi 90 TSCF 3 TSCF Batu bara 5.109 TCE 0,1.109 TCE BOE= Barrel Oil Equivalent TSCF = Tera Standard Cubic Feet TCE = Ton Coal Equivalent Rasio R/P menunjukkan kemampuan untuk digunakan (tahun)
1
R/P 10 30 50
2
Dari Tabel I.1 terlihat bahwa ketersediaan sumber energi fosil, khususnya minyak bumi, yang merupakan komponen utama penghasil energi listrik di Indonesia semakin berkurang dan hanya bisa digunakan dalam jangka waktu beberapa tahun. Sementara kebutuhan energi, khususnya energi listrik di Indonesia semakin bertambah seiring dengan pesatnya peningkatan pembangunan di bidang teknologi, industri dan informasi. Kondisi keterbatasan sumber energi di tengah semakin meningkatnya kebutuhan energi nasional serta tuntutan untuk melindungi bumi dari pemanasan global dan polusi lingkungan membuat tuntutan untuk segera mewujudkan teknologi baru bagi sumber energi yang terbarukan. Pemanfaatan energi terbarukan akan mengurangi dampak negatif bagi lingkungan yang ditimbulkan oleh penggunaan bahan bakar fosil. Pembakaran sumber energi fosil akan membebaskan CO2 dan beberapa gas yang merugikan ke atmosfer. Pembebasan ini merubah komposisi kimia lapisan udara dan mengakibatkan terjadinya efek rumah kaca yang menyebabkan kenaikan suhu bumi. Setiap KWh energi listrik yang diproduksi dari energi terbarukan dapat menghindarkan pembebasan 974 g CO2, 962 mg SO2 dan 700 mg NOx ke udara. Karbondioksida (CO2) merupakan salah satu penyebab terjadinya efek rumah kaca, SO2 mengganggu proses fotosintesis pada pohon karena merusak zat hijau daun serta menjadi penyebab terjadinya hujan asam bersama-sama dengan NOx. Sedangkan NOx sendiri secara umum dapat menumbuhkan sel-sel beracun dalam tubuh makhluk hidup (Anonim, 2003).
3
Salah satu energi alternatif yang ramah lingkungan dan keberadaannya melimpah adalah energi matahari. Jutaan mega watt energi yang setiap hari dipancarkan oleh matahari belum dapat dimanfaatkan secara efektif. Jika energi matahari tersebut dapat dimanfaatkan secara efektif kebutuhan energi manusia dapat terpenuhi sampai jangka waktu yang cukup lama (Kartini, 2004). Energi matahari adalah bentuk energi elektromagnetik yang dipancarkan ke bumi secara terus menerus, tidak bersifat polutif dan dengan ketersediaan melimpah. Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69 % dari total energi pancaran matahari. Suplai energi dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt. Jumlah energi tersebut setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Sehingga dengan menutup 0,1 % saja permukaan bumi dengan sel surya yang memiliki efisiensi 10 % sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia yang dibutuhkan saat ini (Grätzel, 2001). Teknologi photovoltaic berbasis semikonduktor yang dapat mengkonversi secara langsung cahaya matahari menjadi energi listrik yang disebut dengan sel surya merupakan salah satu pilihan yang menarik dan sangat berpotensi dikembangkan di Indonesia. Indonesia yang terletak di daerah khatulistiwa dimana keberadaan cahaya matahari sangat melimpah sepanjang tahun, sangat mendukung dikembangkannya sel surya sebagai sumber energi alternatif yang aman, bersih dan ramah lingkungan dengan ketersediaan yang melimpah. Letak Indonesia yang berada pada daerah khatulistiwa yaitu pada 6oLU - 11oLS dan
4
95oBT - 141oBT dan dengan memperhatikan peredaran matahari dalam 1 tahun yang berada pada daerah 23,5oLU dan 23,5oLS, maka wilayah Indonesia akan selalu disinari matahari selama 10-12 jam dalam sehari. Posisi Indonesia di daerah khatulistiwa menyebabkan tingkat radiasi matahari di Indonesia sangat tinggi, yaitu
sebesar
4,8-5,1
KWh/m2/hari
dengan
variasi
bulanan
±
9
%
(Anonim, 1994). Namun penggunaan sel surya sebagai sumber listrik masih sangat minim dan belum bisa diandalkan sebagai suatu sumber tenaga alternatif. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor seperti kemampuan sel surya yang belum optimal dalam menghasilkan tenaga listrik serta proses pembuatan sel yang memerlukan pembiayaan mahal (Hariyadi, 1998). Berbagai penelitian dilakukan untuk meningkatkan efisiensi sel surya dalam mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik (Green et al., 2006). Hingga saat ini terdapat beberapa jenis sel surya yang berhasil dikembangkan untuk mendapatkan sel surya yang memiliki efisiensi yang tinggi dan untuk mendapatkan sel surya dengan biaya produksi murah. Sel surya mengalami perkembangan dari sel surya kristal Si, sel surya lapis tipis anorganik sampai sel surya lapis tipis organik (Heriyanti, 2006). Generasi pertama sel surya adalah sel surya silikon kristal tunggal dan sel surya silikon polikristal. Sel surya kristal tunggal merupakan tipe sel surya pertama yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti. Tipe ini dalam perkembangannya mampu menghasilkan efisiensi yang sangat tinggi. Masalah terbesar yang dihadapi dalam pengembangan silikon kristal tunggal untuk dapat
5
diproduksi secara komersial adalah harga yang sangat tinggi sehingga menjadikan sel surya yang dihasilkan menjadi tidak efisien sebagai sumber energi alternatif. Sel surya silikon kristal tunggal mampu mencapai efisiensi tertinggi hingga 24,7 ± 0,5 % (Green et al., 2006). Jenis sel surya yang kedua adalah tipe wafer silikon polikristal. Saat ini, hampir sebagian besar sel surya yang beredar di pasar komersial merupakan jenis silikon polikristal. Jenis sel surya ini memiliki harga pembuatan yang lebih murah meskipun tingkat efisiensinya lebih rendah jika dibandingkan dengan silikon kristal tunggal (Yuliarto, 2006). Penelitian yang lebih awal dan telah lama dilakukan, menjadikan sel surya berbasis silikon telah menjadi teknologi yang berkembang dan banyak dikuasai oleh peneliti maupun dunia industri. Modifikasi untuk membuat lebih rendah biaya pembuatan juga dilakukan dengan membuat pita silikon (ribbon Si) yaitu dengan membuat lapisan dari cairan silikon dan membentuknya dalam struktur multi kristal. Meskipun tipe sel surya pita silikon ini memiliki efisiensi yang lebih rendah (13-15 %), tetapi biaya produksinya dapat ditekan mengingat silikon yang terbuang dengan menggunakan cairan silikon akan lebih sedikit (Yuliarto, 2006). Generasi kedua sel surya adalah sel surya tipe lapis tipis (thin film). Sel surya generasi kedua ini terdiri dari material lapis tipis seperti silikon amorf (a-Si), cadmium telluride (CdTe), copper indium gallium diselenide (CIGS), dan silikon kristalin lapis tipis (Halme, 2002). Sel surya lapis tipis mampu mengurangi biaya pembuatan sel surya mengingat tipe ini hanya menggunakan kurang dari 1 % dari bahan baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk tipe wafer silikon.
6
Efisiensi tertinggi yang dihasilkan oleh jenis sel surya lapis tipis adalah sebesar 21,5 ± 1,5 % yang berasal dari sel surya CIGS (Green et al., 2006). Keunggulan lainnya dengan menggunakan tipe lapis tipis adalah semikonduktor dapat dideposisi pada substrat yang lentur sehingga menghasilkan sel surya yang fleksibel. Kedua generasi dari sel surya ini masih mendominasi pasaran sel surya di seluruh dunia dengan silikon kristal tunggal dan multi kristal memiliki lebih dari 80 % sel surya yang ada dipasaran.
Si amorf 13%
Si kristal tunggal 39%
ribbon Si 3% Si lapis tipis 1% CdTe 1%
Si polikristal 43%
Gambar I.1 Distribusi jenis sel surya di pasaran dunia tahun 1998 (World market 1998 by Technology dalam Halme, 2002) Dari Gambar I.1 terlihat bahwa teknologi sel surya di pasar dunia masih dikuasai sel surya generasi pertama yaitu sel surya silikon kristal tunggal dan silikon polikristal yang merupakan sel surya konvensional berbasis silikon. Sel surya konvensional berbasis silikon mengubah cahaya menjadi energi dengan menggunakan efek photovoltaic yang terjadi dalam junction dari semikonduktor tipe p dan tipe n. Serapan cahaya dalam sel surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya hole. Medan listrik dalam p-n
7
junction menyebabkan pemisahan muatan. Perpindahan elektron dan hole menyebabkan sel surya bekerja. Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole, Si harus sangat murni dan bebas dari kerusakan. Hal ini menyebabkan biaya produksi sel surya Si sangat mahal (Anonim, 2006). Sel surya konvensional memiliki biaya produksi yang masih mahal dan bersifat kurang ramah lingkungan karena digunakan beberapa logam berat dalam proses pembuatannya. Penelitian untuk mendapatkan sel surya dengan biaya produksi murah dan lebih ramah lingkungan memunculkan sel surya generasi ketiga yaitu tipe sel surya organik atau tipe sel surya fotoelektrokimia (Yuliarto, 2006). Sel surya generasi ketiga ini menggunakan perangkat semikonduktor yang tidak tergantung pada p-n junction tradisional untuk memisahkan pembawa muatan. Generasi ketiga ini meliputi sel surya berbasis sensitiser zat warna (Dye Sensitized Solar Cells, selanjutnya disebut DSSC). Diantara sekian banyak sel surya berbasis semikonduktor, sel surya fotoelektrokimia dengan menggunakan sensitiser zat warna memiliki keunggulan berupa rendahnya biaya produksi dan relatif lebih aman terhadap lingkungan (Halme, 2002). Proses sensitisasi dengan menggunakan zat warna berawal pada abad ke 19, ketika fotografi ditemukan. Penemuan Vogel (1873) dapat dianggap sebagai awal penemuan proses sensitisasi zat warna pada material semikonduktor, dimana emulsi halida perak dikenai proses sensitisasi menggunakan zat warna untuk menghasilkan film fotografi hitam putih (Grätzel, 1994). Penggunaan proses sensitisasi zat warna pada sel surya tidak pernah berhasil hingga pada awal 1990an di laboratorium Photonics and Interfaces EPFL Switzerland, Gratzel et al.
8
berhasil mengkombinasikan elektroda nanostruktur dan proses injeksi elektron zat warna menghasilkan sebuah sel surya dengan efisiensi konversi energi sekitar 7 % (O'Regan dan Grätzel, 1991) dan 10 % (Nazeeruddin et al., 1993). Sel surya ini sering disebut dengan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) atau sering dikenal sebagai sel Gratzel sesuai dengan nama penemunya. Perbedaan sel Gratzel dengan semua jenis sel surya konvensional, sel ini merupakan sel surya fotoelektrokimia dengan larutan elektrolit atau fasa lain sebagai media transpor elektron. Seiring dengan perkembangannya, sel Gratzel memberikan harapan komersial yang mampu menyaingi industri sel surya silikon. Industri sel surya silikon telah berlangsung selama lebih dari 40 tahun, akan tetapi biaya produksinya masih sangat tinggi yang disebabkan tingginya harga material. Sejak penemuan Gratzel, sel surya fotokimia tersensitisasi zat warna (DSSC) menarik banyak perhatian sebagai sel surya yang relatif efisien, murah, dan lebih ramah terhadap lingkungan. Dalam sel ini lapisan titanium dioksida berukuran nano dapat mengkonversi cahaya dengan lebih baik bila dibandingkan dengan elektroda tak berpori, karena diperkirakan TiO2 nanokristal memiliki luas permukaan ribuan kali lebih besar (Nishimura et al, 2003). Meskipun sel surya berbasis sensitiser zat warna lebih ramah terhadap lingkungan bila dibandingkan dengan sel surya konvensional, tetapi masih ditemukan tingkat toksisitas yang cukup tinggi dari beberapa komponen utama, salah satunya adalah pada zat warna ruthenium. Semua senyawa ruthenium adalah sangat toksik dan karsinogenik. Selain itu penggunaan kompleks Ru sebagai sensitiser membutuhkan lapis tipis TiO2 setebal 10 µm atau lebih untuk mencapai
9
efisiensi sel surya 10 %. Meski TiO2 relatif kurang berbahaya, banyak nanopartikel ultrafine (kurang dari 1 mikron) seperti yang digunakan dalam DSSC bersifat patogenik dan paparan kronis dengan nanopartikel bisa menyebabkan fibrosis dan obstruksi (hambatan) aliran udara dalam saluran pernapasan (Heriyanti, 2006). Sensitiser merupakan komponen penting dalam DSSC. Untuk mengatasi potensi toksisitas kompleks anorganik ruthenium yang digunakan sebagai sensitiser, perlu dicari sensitiser alternatif yang tidak bersifat toksik. Beberapa penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitiser sel surya. Diantaranya adalah penggunaan zat warna alami dari tumbuhan sebagai sensitiser dalam sel surya. Proses sensitisasi celah pita semikonduktor menggunakan zat warna alami dari tumbuhan untuk membuat DSSC telah banyak dilaporkan (Tennakone et al., 1997; Smestad 1998; Smestad and Grätzel 1998; Dai dan Rabani 2001). Dalam kebanyakan kasus zat warna alami yang digunakan berasal dari bunga dan buah yang berwarna merah keunguan yang diduga mengandung antosianin. Polo dan Murakami Iha (2003) berhasil mengkonversi cahaya tampak menjadi energi listrik dengan menggunakan sel surya semikonduktor titania tersensitisasi zat warna alami antosianin yang diekstrak dari kulit buah jaboticaba (Jaboticaba, Myrtus cauliflora, Mart) dan buah duwet (Jambolao, Eugenia jambolana, Lam). Untuk sel surya tersensitasi zat warna dari kulit buah jaboticaba diperoleh arus (Isc) tertinggi sebesar 2,75 mA/cm2 dengan tegangan (Voc) 590 mV, sedangkan
10
untuk sel surya tersensitasi
zat warna alami dari buah duwet mampu
menghasilkan Isc sebesar 2,5 mA/cm2 dengan Voc 439 mV. Penggunaan zat warna alami sebagai sensitiser akan melibatkan langkah pembuatan dan pemurnian zat warna yang semakin mudah dan cepat sehingga bisa menurunkan biaya produksi, mengurangi resiko toksisitas sel surya serta melibatkan proses pembuatan yang ramah lingkungan. Kulit buah manggis (Garcinia Mangostana L.) yang memiliki kenampakan warna merah keunguan diduga banyak mengandung zat warna alami, namun sampai saat ini belum ada yang melaporkan penggunaan zat warna dari kulit buah manggis sebagai sensitiser dalam pembuatan sel surya. I.2 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk 1. Membuat lapis tipis TiO2 pada substrat kaca dengan menggunakan metode pelapisan spray beserta karakterisasinya. 2. Menentukan ketebalan lapis tipis, waktu interaksi, dan konsentrasi optimum dalam proses adsorpsi zat warna ekstrak kulit buah manggis pada lapis tipis TiO2. 3. Mempelajari karakteristik sel surya yang dibuat dengan menggunakan sensitiser zat warna alami dari kulit buah manggis.
11
I.3 Manfaat Penelitian Manfaat hasil penelitian antara lain : 1. Memberikan informasi mengenai zat warna alami alternatif yang dapat digunakan sebagai sensitiser dalam pembuatan sel surya fotoelektrokimia. 2. Meningkatkan kegunaan dan nilai ekonomis dari kulit buah manggis 3. Menghasilkan sel surya yang lebih ramah lingkungan, dan mudah diproduksi dengan biaya yang relatif murah dengan menggunakan sensitiser zat warna alami.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Sel surya generasi pertama adalah sel surya berbasis silikon kristal tunggal dan sel surya silikon polikristal. Sel surya generasi kedua adalah sel surya tipe lapis tipis anorganik yang terbuat dari lapis tipis material semikonduktor seperti silikon amorf (a-Si), cadmium telluride (CdTe), copper indium gallium diselenide (CIGS), dan silikon kristalin lapis tipis (Halme, 2002). Sel surya konvensional berbasis silikon mengubah cahaya menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic yang terjadi pada junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor tipe-p mengandung hole yang berlimpah sehingga mempunyai muatan listrik positif. Semikonduktor tipe-n mengandung elektron berlimpah sehingga bermuatan listrik negatif. Cahaya yang diserap sel surya menyebabkan elektron tereksitasi menghasilkan elektron dan hole. Medan listrik dalam p-n junction menyebabkan terjadinya pemisahan muatan. Pergerakan elektron dan hole menyebabkan sel surya bekerja (Anonim, 2006). Sel surya konvensional memiliki beberapa kendala yaitu membutuhkan biaya produksi yang cukup tinggi, rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena pemakaian logam berat. Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor, sel surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi yang lebih murah dan ramah lingkungan.
12
13
II.1 Sel Surya Berbasis Sensitiser Zat Warna (DSSC) Sel surya berbasis sensitisasi zat warna pada nanokristal TiO2 (DSSC) ditemukan pertama kali oleh Grätzel et al. pada tahun 1991 sehingga sering disebut sebagai sel Gratzel. Sel Gratzel memiliki efisiensi tinggi mencapai 10 % (Grätzel, 1991). Sel ini relatif mudah dibuat dan biaya produksi yang dibutuhkan lebih rendah dibanding sel surya konvensional berbasis silikon. Sel Gratzel tersusun dari 3 komponen utama yaitu elektroda kerja (working electrode), elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit (Kartini, 2004). Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II) sebagai sensitiser. Sedangkan elektroda lawan pada sel Gratzel berupa substrat kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi redoks. Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-/I3- dalam pelarut organik. Dewasa ini banyak kajian dilakukan untuk mengembangkan dan memperbaiki kinerja sel surya berbasis sensitiser zat warna. Beberapa penelitian mengkaji penggunaan semikonduktor lain seperti SnO2, ZnO, dan Nb2O5, sebagai semikonduktor alternatif dalam DSSC menggantikan TiO2. Secara umum penggunaan beberapa semikonduktor alternatif belum dapat menghasilkan efisiensi yang lebih baik bila dibandingkan dengan menggunakan semikonduktor TiO2. Beberapa penelitian yang mengkaji penggunaan semikonduktor alternatif disajikan dalam Tabel II.1.
14
Tabel II.1 Beberapa penelitian DSSC menggunakan semikonduktor alternatif menggantikan TiO2 (Halme, 2002). Semikonduktor SnO2/ZnO
Zat Warna
ZnO
Mercurochrome
Nb2O5 ZnO
Efisiensi
η (%) 8
Luas (cm2) 1,9
N3
2,5 1,4 2
0,09 0,25 0,5
N3
2
0,25
N3
konversi
yang
dihasilkan
Sumber Cahaya Referensi (mW/cm2) 90 (direct sunlight) Tennakone et al., 1999 100 (AM1.5) Hara et al., 2000a 100 (AM1.5) Sayama et al., 1998 56 Rensmo et al., (solar simulator) 1997
dengan
menggunakan
beberapa
semikonduktor alternatif berkisar antara 1,4 – 2,5 % jauh lebih rendah dari efisiensi DSSC dengan menggunakan semikonduktor TiO2 yang mampu mencapai efisiensi 11 % (Green et al., 2006). Hanya terdapat sebuah penelitian yang memberikan hasil yang cukup signifikan, yaitu campuran semikonduktor antara SnO2 dan ZnO yang mampu menghasilkan efisiensi sebesar 8 % dibawah sumber cahaya matahari secara langsung pada intensitas radiasi 90 mW/cm2 yang dilaporkan oleh Tennakone et al. pada tahun 1999. Brammer (2004) telah meneliti dan mengkaji tentang pengaruh perbedaan kondisi sintesis struktur pori dan permukaan lapis tipis TiO2, ketebalan lapis tipis TiO2 dan waktu pewarnaan terhadap kinerja sel surya berbasis sensitiser zat warna. Titania yang digunakan dibuat dengan teknik sol-gel yang dideposisikan pada substrat gelas F:SnO2 dengan teknik doctor blading dan menggunakan zat warna N3 (kompleks ruthenium merah). Kajian tersebut memberikan hasil bahwa karakteristik semikonduktor titania seperti porositas, distribusi ukuran dan struktur pori menentukan kapasitas serapan sinar matahari.
15
Ketebalan lapis tipis bisa mempengaruhi kinerja sel surya karena elektron yang diinjeksi akan melewati sejumlah besar partikel koloid. Kemungkinan rekombinasi elektron akan lebih besar dengan naiknya ketebalan. Rekombinasi elektron ini bisa menurunkan efisiensi sel surya. Oleh karena itu dibutuhkan ketebalan optimum untuk mendapatkan efisiensi sel surya yang maksimum (Kalyanasundaram dan Grätzel, 1998). Salah satu kajian yang dilakukan oleh Ito et al. (2003) menunjukkan bahwa efisiensi sel surya meningkat sejalan dengan meningkatnya ketebalan lapis tipis TiO2 sampai tercapai ketebalan optimum. Morfologi lapisan semikonduktor akan mempengaruhi kapasitas adsorpsi terhadap zat warna (Kalyanasundaram dan Grätzel, 1998). Morfologi yang berbeda memberikan kapasitas dan lama adsorpsi yang berbeda. Jumlah zat warna yang teradsorp sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi efisiensi sel surya. Makin besar jumlah zat warna teradsorp, makin tinggi pula efisiensi sel surya. Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja sel surya. Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi. Sel surya yang menggunakan titania mesopori dengan sensitiser N3 menghasilkan efisiensi global mencapai 5 % (Kartini, 2004). Elektroda kerja pada sel surya dibuat dengan melapiskan TiO2 pada substrat kaca berkonduktivitas. Modifikasi permukaan dibutuhkan untuk memperoleh situs perlekatan yang lebih baik pada substrat kaca non-pori. Ito et al. (2003) menggunakan perlakuan NO3- pada titania P25 dan menggunakan teknik deposisi doctor-blading (slip-casting). Kartini (2004) menggunakan teknik deposisi spray
16
yang diharapkan lebih kuat perlekatannya dan lebih reprodusibel daripada slipcasting. Wienke et al. (1997) telah meneliti tentang pengaruh sifat elektroda TiO2 terhadap efisiensi sel surya dengan membandingkan kinerja sel surya yang terbuat dari titania sintetis yang berbeda yaitu P25 (Degussa AG), H37 (Transcommerce International AG) Ak1 dan PK 5585 (Bayer AG). P25 membentuk lapisan homogen dengan distribusi ukuran pori yang kecil dan menunjukkan aglomerasi yang lambat dari partikel primer. Hasil penelitian menyatakan bahwa perubahan mikrostruktural elektroda yang dibuat dari serbuk TiO2 yang berbeda tidak mempengaruhi efisiensi sel surya secara signifikan. Modifikasi komposisi elektrolit dalam DSSC diperlukan untuk mendapatkan kinerja dan kestabilan yang lebih baik. Sifat fisika dan kimia dari komposisi elektrolit sangat memegang peranan penting dalam operasi dan kinerja sel surya. Elektrolit pasangan redoks dalam sistem DSSC dibuat dengan melarutkan I2 dalam suatu pelarut bersama dengan garam iodin seperti KI, LiI, alkil metilimidazolium iodin dan metil-heksilimidazolium iodin. Sejak penemuan DSSC hingga saat ini, belum ditemukan elektrolit pasangan redoks yang memiliki kinerja lebih baik dari pasangan redoks I-/I3- (Halme, 2002). Wolfbauer et al. (2001) melaporkan bahwa terdapat hubungan yang signifikan antara kation dalam garam iodin dengan kinerja sel surya. Arus yang dihasilkan meningkat secara linier dengan adanya penurunan diameter kation, kation paling kecil Li+ dan K+ menunjukkan hasil yang terbaik. Hasil penelitian ini juga menunjukkan bahwa
17
konsentrasi relatif antara I3-dengan I- dalam larutan elektrolit merupakan faktor penting penentu kinerja sel surya. Pelarut elektrolit yang digunakan secara umum dalam DSSC adalah asetonitril yang masih merupakan pilihan terbaik jika ingin mendapatkan efisiensi sel surya yang maksimum (Halme, 2002). Akan tetapi pelarut tersebut memiliki kelemahan diantaranya bersifat mudah menguap dengan titik didih 82 oC yang merupakan temperatur yang dapat dicapai sel surya pada kondisi terkena radiasi sinar matahari secara penuh. Selain itu asetonitril bersifat toksik dan karsinogenik sehingga tidak dapat digunakan dalam DSSC komersial (Chmiel et al., 1998). Dari sekian banyak pelarut elektrolit, metoksipropionitril memiliki potensial untuk digunakan dalam DSSC komersial. Berbeda dengan asetonitril dan propionitril,
metoksipropionitril
tidak
bersifat
toksik
dan
karsinogenik
(Chmiel et al., 1998). Metoksipropionitril merupakan pelarut yang telah dipilih dan digunakan oleh Sustainable Technologies International (STI) Australia untuk memproduksi DSSC secara komersial. Penggunaan elektrolit cair dalam DSSC menimbulkan masalah yang berhubungan dengan kestabilan sel surya, karena sifatnya yang mudah menguap sehingga elektrolit dapat dengan mudah keluar dari sel surya jika terjadi lubang atau retakan pada perekat kedua elektroda. Beberapa penelitian mencoba mengganti elektrolit cair dengan menggunakan elektrolit berupa gel atau padat. Material yang digunakan berupa konduktor hole yang sesungguhnya seperti semikonduktor anorganik tipe p, semikonduktor polimer tipe p dan konduktor ionik seperti elastomer atau gel yang mengandung iodin. Kinerja sel surya dengan
18
menggunakan konduktor hole yang sesungguhnya memiliki efisiensi yang relatif kecil yaitu sekitar 2,56 % yang dilaporkan oleh Krüger et al. (2002) menggunakan turunan spirobifluoren yang diberi nama OMeTAD. Hasil yang lebih baik dapat dicapai dengan melakukan gelatinisasi elektrolit cair. Cao et al. (1995) mampu mencapai efisiensi berkisar antara 3-5 % dengan menggunakan elektrolit gel polimer pada konfigurasi DSSC standar (serbuk TiO2 P25 Degussa, zat warna N3). Elektrolit yang digunakan merupakan campuran poliakrilonitril, etilen karbonat, propilen karbonat, asetonitril, NaI dan I2. Elektrolit yang dihasilkan memiliki sifat fleksibel dan tidak kehilangan konduktivitas yang cukup berarti (4,5 x 10-3 W-1cm-1) setelah dibiarkan lama di udara terbuka. Kubo et al. (1998) menggunakan
turunan
asam
amino
sebagai
pembentuk
gelatin
untuk
menghasilkan DSSC dengan efisiensi 3,5 %. Penelitian pada bidang yang sama mampu meningkatkan efisiensi sel surya dengan elektrolit berbentuk gel hingga 5,91 % (Kubo et al., 2001). Perusahaan Toshiba telah mampu membuat DSSC quasi-solid dengan efisiensi 7,3 % dengan menggunakan elektrolit polimer berbentuk gel yang mengandung turunan imidazolium, iodin dan gelator, di mana komposisi dari elektrolit tersebut tidak dipublikasikan (Mikoshiba et al., 2000). Untuk meningkatkan laju reaksi reduksi triiodida pada lapisan katoda diperlukan suatu lapisan katalis. Logam Pt merupakan katalis konvensional yang paling efisien dan paling umum digunakan dalam DSSC. Akan tetapi kinerja dari lapisan katalis Pt sangat tergantung pada metode deposisi yang dilakukan. Selain itu Pt bersifat kurang stabil dengan adanya elektrolit iodida (Halme, 2002).
19
Meskipun Pt merupakan katalis yang memiliki aktivitas paling baik, namun harganya sangat mahal. Kay and Grätzel (1996) menggunakan karbon berpori sebagai lapisan katalis dalam DSSC. Elektroda karbon tersebut dibuat dengan mencampurkan carbon black, serbuk grafit dan serbuk TiO2. Konduktivitas yang tinggi (5 Ω/sq pada ketebalan 50 µm) dihasilkan oleh adanya partikel karbon yang saling berhubungan yang dipisahkan oleh serpihan grafit, dan TiO2 sebagai binder. Elektroda tersebut memiliki luas permukaan yang tinggi sebagai akibat digunakannya carbon black dan memiliki aktivitas katalitik seperti katalis konvensional Pt. II.2 Sensitiser DSSC Pengembangan sistem sel surya berbasis sensitiser zat warna lebih banyak berpusat pada pencarian zat warna sebagai sensitiser untuk meningkatkan respon spektra dari sel surya. Beberapa penelitian sel surya berbasis sensitiser zat warna dengan menggunakan zat warna yang berbeda disajikan dalam Tabel II.1. Tabel II.1 Beberapa penelitian DSSC dengan menggunakan zat warna yang berbeda (Halme, 2002) Semikonduktor TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2
Zat Warna Black Dye N3 N719 RuL2(µ-(CN) Ru(CN)L”2)2 N3
Turunan Ru-phenantroline TiO2 Turunan kumarin TiO2 Cu-2-αoxymesoisochlorine Zat warna alami TiO2 sianin L = 2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarboxylic
η (%) 10,4 10,0
Luas (cm2) ? 0,3
Sumber Cahaya (mW/cm2) 100 (AM1.5) 96 (AM1.5)
9,2 7,1 7,9 6 7,3 6,1
1,5 0,5
0,44
? (AM1.5) 75(AM1.5) 8(AM1.5) 100(ELH lamp) 11,5(ELH lamp) 100 (AM1.5)
5,6 2,6
? 0,5
100 (AM1.5) 100 (white light)
0,56
0,9
100 (AM1.5)
1
L”= 2,2’-bipyridine
Referensi Grätzel, 2000 Nazeruddin et al., 1993 Deb et al., 1998 O’Regan & Grätzel, 1991 Hagfeldt et al., 1994 Yanagida et al., 2000 Hara et al., 2001a Kay & Grätzel, 1993 Cherepy et al., 1997
20
Sel Gratzel pertama menggunakan nanopartikel TiO2 yang tersensitisasi kompleks
Ru(II)
yaitu
Ru(II)(4,4’-dikarboksi-2,2’-bipiridin)2(NCS)2
yang
mempunyai puncak serapan pada 550 nm. Sistem sel surya ini menunjukkan efisiensi konversi sebesar 7 % - 10 % (O'Regan dan Grätzel, 1991). Dari Tabel II.1 terlihat bahwa DSSC dengan menggunakan sensitiser kompleks logam memiliki efisiensi yang cukup tinggi berkisar antara 2,6 – 11 %. Namun demikian, penggunaan kompleks logam ini melibatkan proses pemurnian dan produksi yang rumit sehingga biaya produksi yang dibutuhkan mahal. Penggunaan kompleks logam transisi Ru sebagai sensitiser membutuhkan lapisan semikonduktor minimal setebal 10 µm agar menyerap radiasi matahari yang cukup untuk mencapai efisiensi konversi energi sebesar 10 % (Spitler et al., 2002). Selain itu, penggunaan kompleks-kompleks logam ini bisa menimbulkan masalah bagi lingkungan karena sebagian besar kompleks logam bersifat toksik. Beberapa penelitian kemudian dilakukan untuk mengembangkan penggunaan zat warna organik yang efisien sebagai sensitiser sel surya. Spitler et al. (2002) menyatakan bahwa zat warna organik umumnya memiliki koefisien absorbsi yang lebih tinggi daripada kompleks logam. Karakteristik tersebut memberikan keuntungan karena akan menurunkan jumlah zat warna yang digunakan dan menurunkan ketebalan film semikonduktor. Zat warna organik yang biasa digunakan sebagai sensitiser sel surya mempunyai koefisien ekstingsi absorbsi sekitar 105 M-1cm-1 (Spitler et al., 2002). Selain itu zat warna organik alami murni lebih mudah dibuat dan lebih murah (Yao et al., 2003).
21
Zat warna organik dalam rhodamin, sianin, kumarin dan santhen yang memiliki koefisien absorbsi mendekati 105 M-1cm-1 dapat melekat pada permukaan TiO2 melalui pembentukan kelat gugus hidroksil, karboksil atau karbonil (Spitler et al., 2002). Efisiensi konversi sel surya dengan sensitiser zat warna organik sangat kecil bila dibandingkan dengan kompleks logam transisi ruthenium. Sel surya yang menggunakan turunan klorofil dan porfirin yang mengandung gugus karboksil sebagai sensitiser menghasilkan efisiensi konversi mendekati 3 % (Kay dan Grätzel, 1993). Efisiensi konversi ini hanya sepertiga dari efisiensi konversi kompleks Ru. Beberapa penelitian yang lain mengkaji penggunaan zat warna yang diekstrak dari tumbuh-tumbuhan sebagai sensitiser sel surya. Penggunaan produk alami sebagai sensitiser sel surya melibatkan proses pembuatan yang lebih sederhana, cepat, murah dan ramah lingkungan. Smestad dan Grätzel (1998) telah menggunakan berry california (Rubus ursinus) sebagai sensitiser alami. Berry california mengandung pigmen antosianin utama yang terdiri dari campuran sianin-3-glikosida dan sianin-3-rutinosida, merupakan zat warna alami yang baik untuk sensitisasi (Cherepy et al., 1997). Sensitiser berry california diadsorpsikan pada lapis tipis TiO2 (P25 Degussa) yang dideposisikan pada substrat kaca F:SnO2 dengan teknik doctor blading dan menggunakan larutan elektrolit iodida/triiodida dalam pelarut etilen glikol. Sel ini menggunakan elektroda lawan yang dilapisi karbon. Efisiensi sel diukur melalui karakterisasi I-V menggunakan lampu halogen 50 W yang dilengkapi dengan reflektor parabolik integral dan filter UV dan IR. Dari kurva I-V diperoleh
22
Voc yang dihasilkan antara 0,3-0,5 V dan Isc 1-2 mA/cm2. Efisiensi konversi sinar matahari menjadi energi listrik untuk sel surya berbasis sensitiser antosianin atau klorofil berkisar antara 0,5-1 % (Smestad dan Grätzel, 1998). Pemanfaatan
zat
warna
alami
yang
diekstrak
dari
buah
delima
(Punica granatum L.) sebagai sensitiser DSSC fasa padat juga telah dilakukan oleh Sirimanne et al. (2005). Ekstrak buah delima memiliki kandungan utama turunan sianin dan terdapat sebagai flavilium pada pH ~3,4. Pigmen buah delima menunjukkan pita serapan di daerah cahaya tampak dengan puncak pada 510 nm. Serapan pigmen buah delima yang teradsorp pada lapis tipis TiO2 menunjukkan adanya pergeseran merah sebesar 40 nm dan puncak muncul pada 550 nm. Pembentukan kelat antara flavilium dengan TiO2 merubah bentuknya menjadi kuinonoidal dan bisa menjadi salah satu sebab pergeseran merah dalam spektra serapan. Sel surya yang menggunakan sensitiser buah delima menghasilkan arus 5 ± 0.5 mAcm-2 dan tegangan 300 ± 40 mV. Hanya sedikit jumlah zat warna teridentifikasi yang menghasilkan arus lebih tinggi daripada pigmen buah delima dalam sel surya TiO2/zat warna/CuI. Tetapi sel surya TiO2/zat warna/CuI dengan pigmen alami lain menghasilkan tegangan yang lebih tinggi pada kondisi yang sama (Sirimanne et al., 2006). II.3 Zat warna alami antosianin Beberapa buah, bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber fotosensitiser alami yang lebih cepat, murah, berenergi rendah dan ramah lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna. Flavonoid seperti antosianin yang terdapat dalam struktur daun, buah dan bunga yang
23
bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai sensitiser pengganti kompleks ruthenium bipiridil (Dai dan Rabbani, 2002). Antosianidin termasuk dalam golongan flavonoid yang merupakan aglikon dari antosianin. Flavonoid adalah kelompok senyawa polifenol yang mempunyai 15 atom karbon terdiri dari dua cincin benzena yang dihubungkan oleh rantai linier yang terdiri dari tiga atom karbon. Menurut perkiraan Smith (Markham, 1982 dalam Acta, 2004), 2 % dari seluruh karbon yang difotosintesis oleh tumbuhan diubah menjadi flavonoid atau senyawa fenolik yang mempunyai sistem aromatik dan sebagian besar mudah larut dalam air. Flavonoid yang umumnya terdapat dalam tumbuhan, terikat pada gula sebagai flavonoid glikosida dan flavonoid aglikon yang tidak terikat pada gula. Lebih dari 300 antosianin telah ditemukan dan diklasifikasikan ke dalam beberapa sub kelompok seperti sianin, delphinin, malvinin, pelargonin, peonin, dan petunin yang merupakan bentuk glikosida dari antosianin, sedangkan bentuk aglikonnya adalah sianidin, delphinidin, malvinidin, pelargodin, peonidin dan petunidin. Klasifikasi tersebut didasarkan pada gugus R1 dan R2 yang terikat pada cincin aromatik antosianin yang ditunjukkan seperti pada Gambar II.1. R1 OH HO
O H
OH
O HO
R2 H OH
O OH
HH
OH H
R1 OH OH OCH3 H OCH3 OCH3
R2 H OH OCH3 H H OH
Gambar II.1 Struktur antosianin
antosianin sianin delphinin malvinin Pelargonin peonin petunin
24
Antosianin merupakan asam lemah dan terbentuk secara alami pada sebagian besar tumbuhan. Antosianin umumnya berwarna merah, biru, ungu, orange dan merah muda. Gugus kromofor dalam antosianin mengabsorb bagian cahaya yang berbeda dari spektrum UV-visibel, bukan hanya tergantung pada tipe antosianin tetapi juga pada tipe gula yang terikat (Hedbor dan Klar, 2005). II.4 Buah Manggis II.4.1 Morfologi dan taksonomi buah manggis Manggis (Garcinia Mangostana L.) diduga berasal dari asia Tenggara terutama wilayah Indonesia. Manggis merupakan tanaman asli Indonesia yang terkenal dengan sebutan queen of fruit. Buah manggis berbentuk bulat dan pada bagian ujung bawah terdapat juring berbentuk bintang sekaligus menunjukkan ciri dari segmen daging buah. Jumlah juring buah ini berkisar 5-8 buah. Buahnya bila telah masak berwarna ungu kemerahan, kulit buahnya tebal dengan getah kuning yang rasanya pahit. Daging buah berwarna putih, rasanya manis dan mengandung banyak air (Acta, 2004). Klasifikasi (taksonomi) tanaman manggis dalam tumbuhan adalah sebagai berikut: (Rukmana, 1995 dalam Acta, 2004) Kingdom
: Plantae
Klas
: Angiospermae
Sub Klas
: Dicotyledonae
Ordo
: Guttiferales
Genus
: Garcinia
Spesies
: Garcinia Mangostana Linn
25
II.4.2 Manfaat kulit buah manggis Kulit buah manggis dapat dimanfaatkan sebagai obat cacing, disentri, peradangan usus dan obat diare (Heyne, 1987 dalam Acta, 2004). Kulit buah manggis juga telah digunakan dalam obat-obatan tradisional untuk mengatasi gangguan pernafasan (Wahyuono et al., 1999 dalam Acta, 2004). Citra et al., (2005) telah memanfaatkan ekstrak kulit buah manggis sebagai zat warna alam untuk bahan tekstil yang terbuat dari kain kapas, poliester, akrilat dan poliamida. Kulit buah manggis sering digunakan sebagai bahan pembuat cat anti karat dan cat untuk melapisi kayu dinding. Selain itu kulit buah manggis juga digunakan sebagai bahan penyamak kulit (Citra et al., 2005). II.4.3 Kandungan kimia kulit buah manggis Acta (2004) mengidentifikasi adanya 9 senyawa yang termasuk dalam golongan alkana, terpena dan flavonoid dalam ekstrak petroleum eter kulit buah manggis kering dengan kromatografi gas-spektrometer massa (GC MS). Zat warna utama yang terdapat dalam kulit buah manggis adalah cyanidin-3-sophoroside, dan dalam jumlah kecil adalah cyanidin-3-glucoside (Du dan Francis, 1977 dalam Ratanomarno et al., 2005). Cyanidin merupakan senyawa polifenol yang termasuk ke dalam golongan flavonoid. II.4.4 Ekstraksi zat warna Beberapa senyawa flavonoid dari bagian tumbuhan dapat diisolasi dengan cara ekstraksi. Flavonoid sebenarnya terdapat pada semua bagian tumbuhan termasuk daun, akar, kayu, kulit, tepung sari, bunga, buah, dan biji. Flavonoid umumnya dalam tumbuhan terikat dalam bentuk glikosida sehingga mudah larut dalam air
26
sebaliknya flavonoid aglikon yang kurang polar cenderung lebih mudah larut dalam pelarut dengan kepolaran lebih rendah. Flavonoid terdapat dalam bentuk campuran di dalam jaringan tumbuhan (Robinson, 1995) Budiarto (1991) mengekstraksi kulit buah manggis menggunakan pelarut air, metanol dan etanol, ternyata intensitas warna ekstrak dengan air lebih rendah dibandingkan metanol dan etanol. Hal ini diduga polaritas senyawa tersebut lebih rendah bila dibandingkan dengan air sehingga pelarut yang baik untuk ekstraksi adalah pelarut yang kurang polar (Wijayanto et al., 2001). Ratanomarno et al. (2005) melakukan ekstraksi antosianin dari kulit buah manggis dengan menggunakan 100 mL etanol yang mengandung 1 % HCl untuk mengekstrak 2 gram kulit manggis. Wijayanto et al. (2001) telah melakukan ekstraksi antosianin dari kulit buah rambutan dengan melakukan variasi konsentrasi etanol yang digunakan, hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa intensitas warna ekstrak paling tinggi, dihasilkan dengan menggunakan konsentrasi pelarut etanol paling tinggi (95 %).
BAB III LANDASAN TEORITIK, HIPOTESIS DAN RANCANGAN PENELITIAN
III.1 Landasan Teoritik III.1.1 Sel surya berbasis sensitiser zat warna Sel surya berbasis sensitiser zat warna (dye sensitized solar cells, DSSC) pada lapis tipis TiO2 pertama kali dikembangkan oleh Grätzel et al. (1991). Sistem ini tersusun dari 3 bagian utama yaitu lapis tipis semikonduktor (TiO2) dengan senyawa komplek Ru (II) sebagai sensitiser, elektrode lawan (counter electrode) yang dilapisi katalis logam Pt dan larutan elektrolit (larutan elektrolit pasangan redoks). Sistem ini didasarkan pada sensitisasi semikonduktor TiO2 oleh lapisan tunggal zat warna yang teradsorp pada permukaan TiO2.
Gambar III.I Susunan sel surya berbasis sensitiser zat warna
27
28
Sel surya berbasis sensitiser zat warna memiliki prinsip yang sama dengan proses fotosintetik alami. Keduanya menggunakan zat warna organik untuk menyerap cahaya dan menyebabkan eksitasi elektron. Lapis tipis yang tersusun dari
partikel
TiO2
berukuran
nanometer
menggantikan
NADP+
dan
karbondioksida sebagai akseptor elektron. Sedangkan iodida dan triiodida menggantikan air dan oksigen sebagai donor elektron dan sebagai produk oksidasi (Smestad dan Grätzel, 1998). Karakteristik lapis tipis semikonduktor dengan energi celah pita sebagai substrat zat warna dalam DSSC (Kartini, 2004) antara lain : 1. Memiliki struktur pori yang interconnected untuk menghasilkan konduksi elektronik. 2. Memiliki luas permukaan yang tinggi untuk menghasilkan daerah monolayer zat warna yang lebih besar. 3. Memiliki porositas tinggi (volume pori minimal ~50 %, ukuran pori ~10 nm) sehingga
larutan
elektrolit
bisa
menyebar
ke
seluruh
antarmuka
semikonduktor. 4. Transparan sehingga serapan cahaya dapat optimal. 5. Memiliki faktor kekasaran permukaan (roughness surface factor) yang tinggi untuk mengurangi hamburan cahaya.
29
III.1.2 Prinsip kerja sel surya berbasis sensitiser zat warna Prinsip kerja sel surya berbasis sensitiser zat warna ditunjukkan pada Gambar III.2.
Gambar III.2 Prinsip kerja sel surya berbasis sensitiser zat warna (Kartini, 2004) Ketika elektroda kerja dikenai sinar matahari, molekul zat warna (D) yang teradsorp pada permukaan semikonduktor tereksitasi (proses 1) dari keadaan dasar (Do) menuju keadaan tereksitasi (D*). Pada kondisi yang tidak stabil ini, elektron dilepas dan diinjeksikan ke dalam pita konduksi (CB) oksida semikonduktor (proses 2) menghasilkan molekul zat warna bermuatan positif (D+). Elektron yang diinjeksi pada pita konduksi semikonduktor akan ditransfer (proses 3) melalui TiO2 menuju elektroda lawan lewat sirkuit eksternal (proses 4). Pada elektroda lawan triiodida direduksi menjadi iodida menggunakan elektron dari sirkuit eksternal (proses 6). Reaksi redoks akan terus berlangsung dan elektron yang dihasilkan dari reaksi oksidasi didonasikan pada molekul zat warna bermuatan positif (proses 5). Reaksi akan terus berlangsung menghasilkan siklus
30
yang berulang (looping) sehingga diperoleh arus listrik. Reaksi yang terjadi pada proses fotosensitisasi DSSC (Matthews et al., 1996 dalam Halme, 2002) dapat ditulis sebagai berikut: Anoda :
D + hv → D* − eTiO
D* + TiO2
→ D+ +
2D+ + 3I-
→ 2D + I3-
Katoda
I3- + 2e-(Pt) → 3I-
Sel
e-(Pt) + hv →
(proses absorbsi cahaya)
(3.1)
(injeksi elektron)
(3.2)
(regenerasi)
(3.3)
2
(3.4)
− eTiO
(3.5)
2
Prinsip kerja DSSC yang tersaji pada Gambar III.2 terdiri dari proses yang diharapkan dan tidak diharapkan. Proses yang tidak diharapkan meliputi reaksi balik elektron (rekombinasi elektron) yang sudah terinjeksi dengan zat warna teroksidasi (proses 7) atau dengan spesies teroksidasi dalam larutan elektrolit (proses 8), dan proses rekombinasi elektron dari keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasar (proses 9). III.1.3 Kinerja sel surya Pada umumnya kinerja sel surya didefinisikan sebagai kemampuan sel surya mengkonversi energi global (η) serta jangka waktu kestabilan dari sel tersebut. Kestabilan dipelajari dengan mengukur efisiensi konversi energi dari sel surya pada berbagai waktu, sedangkan efisiensi konversi energi ditentukan dengan menggunakan kurva arus-tegangan, yang dapat menghasilkan 3 parameter sel surya yang terdiri dari:
31
1. Arus hubung pendek (short circuit current, Isc) yang secara ideal sama dengan arus yang dihasilkan cahaya dan dapat juga disebut short circuit current density, Jsc yang melibatkan daerah aktif sel. 2. Tegangan (open circuit voltage), Voc; dan 3. Fill factor (FF) Tiga parameter tesebut ditentukan dari kurva karakteristik arus - tegangan (I-V) dari sel surya. Kurva karakteristik I-V ditunjukkan pada gambar III.3.
Gambar III.3 Tipe kurva I-V dari sel surya Pada kurva I-V sumbu vertikal menunjukkan arus dan sumbu horizontal menunjukkan tegangan (voltase) Kurva I-V melewati 2 titik penting yaitu: 1. Short circuit current (Isc) yaitu arus yang dihasilkan ketika ujung positif dan negatif sel short circuited dan tegangan antar ujung adalah nol. 2. Open-circuit voltage (Voc) yaitu tegangan yang melalui ujung positif dan negatif berada dibawah kondisi open circuit dan arus bernilai nol. Pada kurva I-V titik energi maksimum terjadi ketika hasil kali arus dan tegangan bernilai maksimum, tidak ada energi yang dihasilkan ketika terjadi Voc ataupun Isc. Energi maksimum dihasilkan di daerah antara kedua titik tersebut.
32
Titik saat terjadi energi maksimum menunjukkan efisiensi maksimum dari sistem sel surya dalam mengubah cahaya matahari menjadi listrik. Fill factor merupakan ukuran luas persegi kurva I-V. Fill factor
adalah
ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya dan diperoleh dari persamaan (3.6) : FF =
I maksVmaks I scVoc
(3.6)
Konversi energi sel surya (η) didefinisikan sebagai:
η=
Pmaks I scVoc FF = Pinput Pinput
(3.7)
Pinput adalah total radiasi yang mengenai sel (yaitu densitas daya sumber cahaya yang digunakan untuk menyinari sel). II.1.4 Titanium dioksida Titanium dioksida digunakan secara luas sebagai pigmen putih pada cat, kosmetik atau sebagai builder pada tablet vitamin. TiO2 murni merupakan padatan berwarna putih dengan titik lebur 1855 0C. Kristal ini bersifat asam yang tidak larut dalam air, asam klorida, asam sulfat encer dan alkohol, tetapi larut dalam asam sulfat pekat dan asam fluorida (Cotton et al., 1999). Titanium dioksida merupakan semikonduktor fotokatalis yang dapat diaplikasikan dalam penanganan masalah lingkungan, bersifat foto aktif, dapat digunakan pada daerah sinar tampak dan UV dekat, bersifat inert, stabil, serta murah untuk diproduksi. Di antara sekian banyak partikel semikonduktor yang digunakan sebagai fotokatalis, TiO2 paling banyak digunakan sebab TiO2 sifatnya inert baik secara biologi maupun secara kimia, stabil terhadap fotokorosi maupun korosi oleh bahan kimia (Hoffmann et al., 1995).
33
Titanium dioksida memiliki tiga fase kristal yaitu anatase, rutile dan brookite. Akan tetapi hanya anatase dan rutile yang memiliki peran penting dalam aktivitas fotokatalitik.
Kemampuan
fotokatalitik
semikonduktor
titanium
dioksida
dipengaruhi oleh morfologi, luas permukaan, kristalinitas dan ukuran partikel.
Anatase dikenal sebagai fase kristal titanium dioksida yang memiliki aktivitas fotokatalitik paling besar. Secara termodinamik anatase kurang stabil bila dibandingkan dengan rutile, akan tetapi pembentukannya lebih disukai pada temperatur rendah (< 600 0C).. Anatase mempunyai struktur kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut sedangkan rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase, dengan pengecualian bahwa Ti-O oktahedral
sharing 4 sisi bukan 4 sudut. Brookite mempunyai struktur orthorombik yang sulit dibuat dan jarang ditemukan. Struktur kristal anatase dan rutile ditampilkan dalam Gambar III.4.
Gambar III.4 Struktur kristal TiO2 (Farrell, 2001 dalam Heriyanti, 2006) Pada struktur rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga, sedangkan pada struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya. Jarak antara atom Ti-Ti pada anatase lebih besar dari rutile (3,79 Å pada
anatase dan 2,96 Å pada rutile). Jarak Ti-O pada anatase lebih kecil dari rutile (1,934 dan 1,98 Å pada anatase serta 1,949 dan 1,98 Å pada rutile) (Linsebigler,
34
et al., 1995). Perbedaan struktur ini menyebabkan perbedaan densitas massa dan struktur pita elektronik.
Rutile dan anatase mempunyai struktur tetragonal dengan tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda seperti terlihat pada Tabel II.2 Tabel III.1 Perbandingan sifat TiO2 jenis rutile dan anatase (Fujishima et al., 1999 dalam Heriyanti, 2006) Sifat
Rutile
Anatase
Tetragonal
Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a
4,58 Å
3,78 Å
Tetapan kisi-kisi c
2,95 Å
9,49 Å
Berat jenis
4,2
3,9
Indeks bias
2,71
2,52
Kekerasan
6,0-7,0
5,5-6,0
Permitivitas
114
31
Titik didih
1858 0C
Bentuk kristal
Berubah menjadi rutile pada temperatur tinggi
Pembentukan struktur semikonduktor dapat dijelaskan melalui teori orbital molekul. Berdasarkan teori orbital molekul, interaksi antara orbital-orbital atom dapat menghasilkan orbital-orbital molekul. Jumlah orbital molekul yang dihasilkan identik dengan jumlah atom induknya yang berupa pasangan orbital molekul bonding dan anti bonding. Apabila orbital atom yang terlibat berjumlah tak berhingga, maka akan terbentuk pita kontinyu, kombinasi dari pita kontinyu orbital anti bonding yang energinya lebih rendah, disebut dengan pita valensi, dan dengan pita kontinyu orbital anti bonding yang energinya lebih tinggi, disebut pita konduksi. Struktur pita suatu semikonduktor ditunjukkan oleh Gambar III.5.
35
Gambar III.5 Pembentukan band gap pada semikonduktor (Hoffmann et al., 1995) Dalam kristal logam transisi yang memiliki jumlah kisi tak berhingga dan jumlah orbital mendekati bilangan Avogadro 6,02x1023, tumpang tindih antar orbital atom terluar yang berdekatan akan membentuk suatu pita energi. Mengingat bahwa setiap orbital atom membentuk satu orbital molekul, maka orbital atom yang tingkatnya sama dan jumlahnya tak berhingga akan membentuk orbital molekul yang tingkatnya sama dalam pita kontinyu. Setiap tingkat energi dapat terisi dua elektron, sedangkan setiap ion dalam logam transisi hanya menyumbang satu elektron untuk berinteraksi dengan orbital atom tetangganya sehingga pita kontinyu hanya akan terisi sebagian saja. Suatu batas yang menunjukkan terisi penuhnya suatu pita oleh elektron adalah fermi level (Ef). Pada suatu konduktor, tingkat energi fermi terletak pada bagian tengah pita konduksi yang menyebabkan logam memiliki konduktivitas listrik
36
yang tinggi sedangkan pada suatu isolator, tingkat energi fermi terletak diantara pita valensi yang terisi penuh dan pita konduksi di mana kedua pita tersebut terpisah cukup besar (sekitar 3,0 eV) sehingga elektron tidak dapat dipromosikan dari pita valensi menuju pita konduksi yang menyebabkan isolator tersebut tidak memiliki kemampuan untuk menghantarkan arus listrik. Pada suatu bahan semikonduktor, letak tingkat energi fermi hampir sama dengan isolator akan tetapi pemisahan kedua pitanya tidak terlalu besar sehingga elektron masih dimungkinkan untuk dapat dipromosikan dari pita valensi ke pita konduksi dalam kondisi pada suhu kamar dan energi termal yang cukup. Kondisi yang demikian menyebabkan semikonduktor memiliki sifat konduktivitas relatif tinggi, dapat dimanfaatkan sebagai sarana transfer muatan antar muka dan digunakan untuk menyimpan energi. Dengan semakin kecil jarak pisah kedua pita, semakin tinggi temperatur dan semakin banyak jumlah elektron yang terlibat akan memperbesar konduktivitas semikonduktor. Semikonduktor merupakan struktur yang dikarakterisasi oleh adanya pita valensi yang terisi elektron dan pita konduksi yang kosong dan membentuk celah yang disebut energi celah pita atau band gap energy (Eg) sebesar 2 - 3,5 eV (Hoffmann et al., 1995). Harga Eg untuk beberapa semikonduktor disajikan pada Tabel III.2.
37
Tabel III.2 Harga Eg beberapa semikonduktor Semikonduktor Energi band gap (eV) 3,2 TiO2 (anatase) 3,0 TiO2 (rutile) 3,2 ZnO 3,5 CdS 3,1 Fe2O3 2,76 PbO 3,6 ZnS 2,3 CdO
III.1.5 Teknik pelapisan TiO2 pada substrat kaca Beberapa teknik untuk membuat lapis tipis antara lain : slip casting (doctor
blading atau spread and drag), screen printing,
deposisi fase uap, teknik
sputtering dan spray deposition. Dua teknik yang sering digunakan dalam pembuatan lapis tipis adalah doctor blading dan spray deposition. Kedua teknik tersebut sama-sama mudah, murah dan cocok untuk suspensi serbuk. Teknik doctor blading (slip-casting) juga dikenal sebagai teknik spreading atau drop and drag. Teknik ini dilakukan dengan meneteskan suspensi pada salah satu sisi substrat kaca dan kemudian diratakan dengan batang gelas pengaduk.
Slip-casting merupakan teknik deposisi yang banyak digunakan karena mudah dilakukan dan kontrol ketebalan dilakukan secara mudah dengan menggunakan isolasi pada kedua tepi substrat kaca. Lapis tipis yang dihasilkan sangat dipengaruhi karakteristik koloid prekursor lapis tipis titania (Kartini, 2004). Pelapisan dengan teknik spray dilakukan dengan menggunakan sprayer dengan paint trace controller (Kartini, 2004). Gas nitrogen dengan kemurnian tinggi digunakan sebagai sumber gas penekan. Dalam teknik ini dibutuhkan tekanan gas yang relatif tinggi untuk memperoleh kualitas aerosol yang lembut
38
untuk menghasilkan lapis tipis yang halus dan homogen. Teknik deposisi spray diharapkan lebih kuat perlekatannya dan lebih reprodusibel daripada slip-casting. Modifikasi permukaan dibutuhkan untuk memperoleh situs perlekatan yang lebih baik pada substrat kaca non-pori. Ito et al. (2003) menggunakan perlakuan NO3- pada TiO2 P25 sebelum dideposisikan pada substrat kaca. Penelitian yang dilakukan Ito et al. (2003) menunjukkan bahwa serbuk TiO2 yang dimodifikasi dengan asam nitrat memiliki ukuran partikel yang lebih seragam dan tidak mengalami agregasi bila dibandingkan dengan serbuk TiO2 P25 tanpa perlakuan asam. III.1.6 Zat warna sebagai sensitiser sel surya Sinar matahari menghasilkan 5 % spektra di daerah ultraviolet dan 45 % di daerah cahaya tampak. TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm). Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak, dibutuhkan lapisan zat warna/sensitiser yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2. Sensitiser yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik maupun zat warna organik. Sensitiser tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan Grätzel, 1998). Untuk mencapai sel surya dengan efisiensi yang tinggi dalam mengkonversi cahaya tampak menjadi energi listrik, sifat dari zat warna yang teradsorp pada permukaan semikonduktor dalam sistem sel surya sangat memegang peranan penting. Beberapa sifat yang diharapkan terdapat pada molekul zat warna sebagai sensitiser diantaranya (Halme, 2002) :
39
1. Absorbsi cahaya Zat warna harus memiliki absorbansi yang cukup lebar pada daerah cahaya tampak. 2. Tingkat energi Untuk meminimalkan kehilangan energi dan memaksimalkan energi listrik yang dihasilkan, keadaan tereksitasi dari molekul zat warna yang teradsorp harus berada tidak terlalu tinggi diatas pita konduksi dari TiO2, tetapi cukup sebagai
driving force dalam proses injeksi elektron. Dan keadaan dasar dari zat warna harus berada sedikit dibawah energi potensial reaksi redoks dari elektrolit. 3. Kinetik Proses injeksi elektron dari keadaan tereksitasi menuju pita konduksi pada semikonduktor harus lebih cepat untuk menghindari reaksi yang tidak diharapkan dan untuk menghindari jalur rekombinasi dalam sistem sel surya. 4. Stabilitas Zat warna yang teradsorp pada semikonduktor harus stabil pada sistem kerjanya (pada semikonduktror dan elektrolit) 5. Sifat interface Dapat teradsorp dengan baik pada permukaan semikonduktor. 6. Kelarutan Memiliki kelarutan yang tinggi pada pelarut yang digunakan dalam proses impregnasi.
40
Beberapa buah, bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber fotosensitiser alami yang lebih cepat, murah, berenergi rendah dan ramah lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna. Flavonoid seperti antosianin (C15H12O6) yang terdapat dalam struktur daun, buah dan bunga yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai sensitiser pengganti kompleks ruthenium bipiridil. Serapan maksimum dari ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm bergantung pada buah atau pelarut yang digunakan. Kinerja ekstrak alami biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang serupa, hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa ekstrak (Dai dan Rabbani, 2002). Zat warna organik mungkin terikat pada padatan melalui gugus fungsional yang terikat pada zat warna. Gugus karboksil sangat efektif untuk membentuk ikatan tersebut seperti ikatan fosfonat. Gugus hidroksil dan karbonil pada zat warna juga dapat membentuk koordinasi dengan atom di permukaan padatan (Sayama et al., 2003). Zat warna digunakan dalam bentuk agregatnya dan dalam kombinasi dengan zat warna lain untuk memperlebar daerah spektra serapan sel surya fotoelektrokimia (Sayama et al., 2003). Perluasan agregasi dikontrol oleh struktur gugus fungsi yang terikat pada zat warna. Struktur ikatan penghubung mempengaruhi spektra lapisan zat warna pada permukaan padatan (Spitler et al., 2002) III.1.7 Adsorpsi zat warna pada lapis tipis TiO2 Adsorpsi merupakan akumulasi atau pemusatan substansi adsorbat pada permukaan adsorben dan hal tersebut terjadi pada antar muka dua fasa, misalnya
41
fasa cair dengan fasa cair, fasa cair dengan fasa gas, fasa gas dengan fasa padat dan fasa cair dengan fasa padat (Lynam, 1995). Waktu interaksi yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi dapat digunakan sebagai ukuran laju reaksi. Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap laju adsorpsi antara lain : ukuran struktur molekul adsorbat, sifat-sifat pelarut dan sifat penyerapan adsorben. Menurut Oscik (1982), adsorpsi dari fasa gas maupun larutan, umumnya adsorbat menuju ke permukaan adsorben dalam waktu yang relatif pendek sedangkan kesetimbangan adsorpsi memerlukan waktu yang lebih lama. Setiap proses adsorpsi memiliki dua langkah berturut-turut yaitu : (1) transport adsorbat ke permukaan adsorben, dan (2) adsorpsi pada permukaan adsorben. Kalyanasundaram dan Grätzel (1998) mengadsorpsikan molekul zat warna pada permukaan lapis tipis TiO2 dengan cara mencelupkan lapis tipis TiO2 pada larutan zat warna dalam pelarut alkohol, dalam waktu yang cukup untuk memenuhi seluruh permukaan lapis tipis TiO2. Menurut Hagfeldt et al. (1994) selama proses adsorpsi, lapis tipis TiO2 sangat sensitif terhadap molekul H2O sehingga untuk meminimalkan keberadaan uap air dalam pori-pori lapis tipis TiO2, lapis tipis dihangatkan sebelum dicelupkan ke dalam larutan zat warna. Proses adsorpsi berlangsung selama beberapa jam tergantung pada ketebalan lapisan TiO2 dan kondisi suhu larutan zat warna. Morfologi lapisan semikonduktor akan mempengaruhi kapasitas adsorpsi terhadap zat warna (Kalyanasundaram dan Grätzel, 1998). Morfologi yang berbeda memberikan kapasitas dan lama adsorpsi yang berbeda. Jumlah zat warna
42
yang teradsorp sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan TiO2 akan mempengaruhi efisiensi sel surya. Makin besar jumlah zat warna teradsorp, makin tinggi pula efisiensi sel surya. Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja sel surya. Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi (Kartini, 2004). III.1.8 Metode analisis dengan spektrofotometer UV-Vis Prinsip dasar analisis dengan metode spektrofotometri UV-Vis adalah interaksi antara energi dan materi. Energi yang digunakan berupa radiasi sinar UV-Vis yang mempunyai panjang gelombang (λ) pada daerah 180-750 nm, sedangkan materi yang dapat dianalisis merupakan molekul yang dapat menyerap radiasi UV-Vis yaitu suatu gugus kromofor atau secara visual biasanya merupakan larutan berwarna. Interaksi antara keduanya menyebabkan terjadinya transisi elektron yang ada pada ikatan molekul. Perbedaan tingkat energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi adalah tertentu untuk setiap senyawa sehingga frekuensi yang diserap juga tertentu. Banyaknya radiasi yang diserap dapat dinyatakan dengan absorbansi. Besarnya absorbansi sebanding dengan jumlah molekul dalam larutan yang diukur, sesuai hukum Lambert-Beer, sebagai berikut : A = ε .b.c
A menyatakan absorbansi, ε adalah koefisien ekstingsi, b adalah panjang sel dan C adalah konsentrasi.
43
Hukum Lambert-Beer merupakan dasar analisis kuantitatif guna penentuan konsentrasi zat warna hasil ekstrak kulit buah manggis setelah teradsorb pada lapis tipis TiO2. Penentuan konsentrasi larutan sampel dilakukan dengan mengintrapolasikan absorbansi sampel ke dalam kurva standar yang merupakan hubungan antara konsentrasi dengan absorbansi larutan standar. III.2 Hipotesis Komposisi kristal, struktur dan morfologi lapisan semikonduktor sangat berpengaruh pada efisiensi sel surya. Morfologi lapisan semikonduktor akan mempengaruhi kapasitas adsorpsi terhadap zat warna. Morfologi yang berbeda dapat memberikan kapasitas dan lama adsorpsi yang berbeda. Struktur berpori akan meningkatkan efektifitas interaksi antara zat warna dengan elektrolit yang dapat mempercepat transfer muatan dan regenerasi zat warna teroksidasi. Komposisi fasa
kristal TiO2 memegang peranan penting dalam menentukan
efektifitas transfer elektron dari keadaan tereksitasi zat warna menuju pita konduksi TiO2 (Kalyanasundaram dan Grätzel, 1998). Lapis tipis TiO2 dapat digunakan sebagai subtrat zat warna yang efektif dalam DSSC jika memiliki komposisi fasa kristal anatase dan rutile serta memiliki morfologi berpori
(Kalyanasundaram dan Grätzel, 1998). Komposisi kristal,
struktur dan morfologi lapisan semikonduktor yang terbentuk sangat dipengaruhi oleh preparasi dan teknik deposisi yang digunakan (Kartini, 2004). Hipotesis 1. Jika lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2 termodifikasi asam
dan dideposisikan dengan teknik spray memiliki karakteristik tersusun atas komposisi kristal anatase dan rutile serta memiliki porositas maka lapis tipis
44
tersebut dapat digunakan sebagai substrat zat warna yang efektif pada sistem DSSC. Adsorpsi merupakan akumulasi atau pemusatan substansi adsorbat pada permukaan adsorben. Proses adsorpsi sangat dipengaruhi oleh beberapa variabel seperti jumlah adsorben, konsentrasi adsorbat dan waktu interaksi adsorpsi. Terdapat kondisi tertentu dari masing-masing variabel untuk mencapai adsorpsi yang optimum. Hipotesis 2. Jika lapis tipis TiO2 memiliki kapasitas adsorpsi tertentu, maka akan
didapatkan suatu kondisi optimum dengan melakukan variasi ketebalan lapis tipis, waktu interaksi dan konsentrasi awal zat warna dalam proses adsorpsi. Zat warna yang dapat digunakan sebagai sensitiser yang efektif adalah zat warna yang dapat teradsorp dan memiliki gugus fungsional yang dapat berikatan secara kimia dengan permukaan TiO2. Beberapa gugus fungsional yang dapat berikatan dengan TiO2 diantaranya adalah gugus =O atau gugus OH (Smestad, 1998) dan gugus COOH (Sayama et al., 2003). Selain itu zat warna yang digunakan sebagai sensitiser juga harus memiliki tingkat energi yang tepat untuk melakukan injeksi elektron ke pita konduksi semikonduktor (Smestad, 1998). Kulit buah manggis mengandung zat warna utama antosianin yang termasuk ke dalam golongan senyawa flavonoid (Ratanomarno et al., 1999; Du dan Francis, 1977 dalam Ratanomarno et al., 2005). Flavonoid merupakan senyawa polifenol yang memiliki banyak gugus OH sehingga dapat digunakan untuk berikatan dengan TiO2 secara efektif. Sensitisasi terjadi jika terdapat pergeseran merah pada pola serapan elektronik sistem TiO2-zat warna di daerah cahaya tampak (Garcia et
45
al., 2003). Secara kuantitatif terjadinya sensitisasi dapat diketahui dengan melakukan pengukuran arus dan tegangan sel surya. Hipotesis 3. Zat warna ekstrak kulit manggis akan menghasilkan pergeseran
merah pada spektra serapan lapis tipis TiO2 – zat warna sehingga dapat digunakan sebagai sensitiser dalam sistem sel surya berbasis lapis tipis TiO2. III.3 Rancangan Eksperimen Sesuai dengan tujuan penelitian ini, maka langkah awal yang dilakukan adalah melakukan preparasi lapis tipis TiO2 pada substrat kaca dengan menggunakan teknik spray coating dengan variasi pelapisan lapis tipis sebanyak 1x, 5x, dan 8x. Lapis tipis TiO2 pada substrat kaca dibuat dari serbuk TiO2 P25 (Degussa) yang telah dimodifikasi dengan mengunakan HNO3. Ekstraksi zat warna dari kulit buah manggis bagian luar dilakukan dengan menggunakan pelarut etanol. Hasil ekstrak diadsorpsikan pada lapis tipis TiO2 dengan variasi pelapisan lapis tipis, waktu interaksi dan konsentrasi awal ekstrak dalam % (v/v). Proses analisis secara kuantitatif dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visibel. Karakterisasi terhadap serbuk TiO2 dilakukan dengan menggunakan spektrofotometri FTIR dan difraksi sinar X. Sedangkan morfologi permukaan dan tampang lintang lapis tipis TiO2 dikarakterisasi dengan menggunakan Scanning
Electron Microscopy (SEM). Serapan elektronik zat warna hasil ekstraksi dari kulit buah manggis dalam pelarut etanol maupun setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 dikarakterisasi dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visibel yang dilengkapi dengan integrating sphere Diffuse Reflectance (DR-UV Vis).
46
Sel surya dibuat dalam sistem sandwich, dimana elektroda kerja dibuat dengan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca berkonduksi (FTO) yang telah mengadsorp zat warna hasil ekstraksi dari kulit manggis. Elektroda kerja tersebut dibuat berdasarkan proses optimasi adsorpsi zat warna pada lapis tipis TiO2. Elektroda lawan dibuat dengan evaporasi vakum Au pada FTO. Sedangkan larutan elektrolit dibuat dari kalium iodida dan iodin dalam pelarut etilen glikol.
BAB IV METODE PENELITIAN
IV.1 Bahan dan Alat IV.1.1 Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian meliputi, serbuk TiO2 P25 (Degussa), asam nitrat 65 % (E. Merck), gas nitrogen (PT Samator Kendal, Jawa Tengah), etanol p.a (E. Merck), aseton p.a (E. Merck), propan(2)ol p.a (E. Merck), akuades (Laboratorium Kimia Dasar FMIPA UGM), kaca preparat mikroskop CAT NO.7101 (China), kaca FTO / Fluorine-doped Tin Oxide R ~ 25-27 Ω cm-2, buah manggis (pasar Kranggan), logam Au (Laboratorium Fisika Zat Padat FMIPA
UGM),
kalium
iodida
(Kimia
Farma),
iodin
(E.
Merck),
etilen glikol (E. Merck), aluminium foil, removable adhesive (Faber Castel) dan kertas saring. IV.1.2 Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari tiga kelompok yaitu alat preparasi, alat analisis, dan peralatan untuk menguji kinerja sel surya. Alat preparasi meliputi : alat penggerus (lumpang porselin dan mortar), blender, pH meter TPS digital merk Orion model 710A, ultrasonic cleaner, air brush AB 300, oven, furnace carbolite, timbangan analitik Mettler AE 160, shaker, vacuum
evaporator, petridisk plastik, desikator serta alat penunjang berupa seperangkat alat gelas laboratorium. Alat analisis : Spektrofotometer UV- Visibel Lamda Bio 20 Perkin Elmer, difraktometer Sinar X Shimadzu XRD-6000, spektrometer
47
48
inframerah Shimadzu FTIR-8201PC, scaning electron microscopy JEOL JSM6360LA. Sedangkan peralatan untuk menguji kinerja sel surya meliputi : multimeter digital Sanwa, penjepit buaya, kabel, power supply DC, dan lampu bolam reflektor merk Chiyoda 40 Watt. IV.2 Prosedur Penelitian IV.2.1 Preparasi lapis tipis TiO2 IV.2.1.1 Perlakuan asam terhadap serbuk TiO2 Sebanyak 5 gram serbuk TiO2 dilarutkan ke dalam 100 mL akuades dan ditambahkan dengan 0,85 mL HNO3 65 %. Suspensi distirer dan dipanaskan dengan menggunakan penangas air pada suhu 80 oC selama 4 jam. Selanjutnya proses stirer dilanjutkan pada suhu kamar selama satu malam. Suspensi titania dievaporasi hingga didapatkan padatan TiO2 kembali. Padatan TiO2 yang didapatkan digerus hingga halus dan disimpan di dalam desikator. IV.2.1.2 Pencucian substrat kaca Kaca preparat mikroskop atau kaca FTO dicuci dengan air dan deterjen di dalam ultrasonic batch selama 10 menit. Selanjutnya kaca dibilas dengan menggunakan botol spray yang berisi akuades. Pencucian kaca dilanjutkan dengan menggunakan aseton dan propan(2)ol, masing-masing selama 10 menit di dalam
ultrasonic batch. IV.2.1.3 Pelapisan TiO2 pada substrat kaca Sebanyak 1 gram serbuk TiO2 yang telah diasamkan dimasukkan ke dalam lumpang porselen dan ditambahkan dengan 25 mL larutan HNO3 pH 4,0. Penambahan dilakukan sedikit demi sedikit sambil diaduk dan dihaluskan dengan
49
menggunakan mortar. Proses pengadukan dilanjutkan dengan menggunakan pengaduk magnet hingga didapatkan suspensi yang homogen. Sebanyak 24 kaca preparat mikroskop yang telah bersih dilekatkan dengan menggunakan removable adhesive pada alas yang terbuat dari kaca. Penyemprotan dilakukan arah tegak lurus (90 o) terhadap substrat kaca. Proses penyemprotan dilakukan dengan menggunakan air brush dengan gas nitrogen sebagai pemicunya. Gas nitrogen yang digunakan diatur pada tekanan 3,5 bar. Suspensi titania yang digunakan untuk setiap kali pelapisan sebanyak 14 mL. Kaca yang telah dilapisi dengan TiO2 dipanaskan selama 15 menit pada suhu 60 oC kemudian dilanjutkan dengan proses sintering pada suhu 450 oC selama 1 jam. Proses pelapisan diulangi hingga didapatkan lapis tipis dengan variasi pelapisan 1x, 5x dan 8x. IV.2.2.Ekstraksi zat warna dari kulit buah manggis Buah manggis yang telah masak dikupas dan diambil kulit bagian luarnya. Kulit manggis bagian luar dikeringkan pada suhu 40 oC selama kurang lebih 2 hari dengan menggunakan oven. Selanjutnya kulit manggis kering dihaluskan dengan menggunakan blender hingga berbentuk serbuk halus. Sebanyak 10 gram serbuk diekstraksi dengan menggunakan 50 mL etanol selama 24 jam dengan menggunakan shaker. Serbuk kulit manggis dipisahkan dari hasil ekstrak dengan menggunakan kertas saring whatman 42 dan penyaring buchner.
50
IV.2.3 Optimasi adsorpsi ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 Adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 dilakukan dengan memasukkan dua buah lapis tipis TiO2 dalam keadaan hangat ke dalam larutan hasil ekstrak dengan volume 25 mL. Lapis tipis yang digunakan dalam proses adsorpsi dipilih yang memiliki berat hampir sama atau mendekati berat rata-rata. Proses adsorpsi dilakukan dengan menggunakan suatu wadah plastik yang dibungkus dengan aluminium foil dan diletakkan dalam ruang gelap. Setelah proses adsorpsi larutan zat warna diambil dengan menggunakan jarum suntik dan dianalisis dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visibel. Penentuan konsentrasi zat warna ekstrak kulit manggis yang teradsorp pada lapis tipis TiO2 dilakukan dengan mengukur harga absorbansi sebelum dan sesudah proses adsorpsi dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visibel yang dilakukan pada λ optimum. Nilai absorbansi dikonversi ke dalam konsentrasi % (v/v) dengan menggunakan metode kurva standar. IV.2.3.1 Variasi pelapisan lapis tipis TiO2 Proses adsorpsi dengan variasi jumlah pelapisan lapis tipis dilakukan dengan menggunakan lapis tipis pelapisan 1x, 5x dan 8x dengan menggunakan konsentrasi ekstrak 15 % (v/v) dan waktu interaksi selama 21 jam. IV.2.3.2 Penentuan waktu interaksi optimum Penentuan waktu interaksi optimum dilakukan dengan melakukan variasi waktu interaksi 1, 5, 15, 20, 30, 60, 120, 180 dan 360 menit dengan menggunakan konsentrasi ekstrak dan jumlah pelapisan lapis tipis tetap yaitu sebesar 15 % (v/v) dengan jumlah pelapisan lapis tipis hasil optimasi dari proses sebelumnya.
51
IV.2.3.3 Penentuan konsentrasi awal optimum Penentuan konsentrasi awal optimum dilakukan dengan melakukan variasi konsentrasi awal 2,5 %, 5 % , 10 %, 15 % dan 20 % (v/v) dengan ketebalan lapis tipis dan waktu interaksi dibuat tetap yang merupakan hasil optimasi dari proses adsorpsi sebelumnya. IV.2.4 Karakterisasi IV.2.4.1 Metode difraksi sinar X Penentuan fase kristal serbuk dan lapis tipis TiO2 dilakukan melalui metode difraksi sinar X menggunakan difraktometer sinar X Shimadzu model XRD-6000 dengan radiasi Cu Kα (1,54060 A) pada tegangan 40 kV arus 30 mA, 2θ = 5-90 serta nikel sebagai filter yang terdapat di Laboratorium XRD Jurusan Kimia FMIPA UGM. Difraktometer yang dihasilkan dibandingkan dengan data JCPDS TiO2. Penentuan ukuran kristal TiO2 ditentukan dengan persamaan Scherrer (Klug, 1974):
D=
kλ B cos θ
(4.1)
λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (λ Cu 0,15418 nm); k adalah konstanta Scherrer = 0,9; B adalah puncak pada setengah intensitas; sedangkan θ adalah sudut difraksi. Penentuan komposisi fase kristal penyusun serbuk dan lapis tipis TiO2 dapat dihitung berdasarkan persamaan Spurr dan Meyers (Farrell, 2001) : XA =
1 I (1 + R ) kI A
(4.2)
52
= Integrated intensity rutile
dengan IR IA K
= Integrated intensity anatase
= 0,68
IV.2.4.2 Spektrofotometri inframerah
Identifikasi gugus fungsional yang terdapat pada serbuk dan lapis tipis TiO2 dilakukan menggunakan spektrometer inframerah Shimadzu FTIR-8201PC yang terdapat di Laboratorium Kimia Organik FMIPA UGM pada bilangan gelombang 4000-400 cm-1 dengan metoda pelet KBr. Analisis dengan menggunakan spektrofotometer
inframerah dilakukan terhadap serbuk TiO2 P25 Degussa,
serbuk TiO2 setelah perlakuan asam dan lapisan TiO2 pada substrat kaca setelah proses sintering. IV.2.4.3 Scanning Electron Microscopy (SEM)
Karakterisasi morfologi dan tebal tampang lintang lapis tipis TiO2 dilakukan dengan alat SEM JEOL JSM-6360LA yang terdapat di Laboratorium Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi Kelautan (PPPGL), Bandung. Lapis tipis TiO2 dipotong dengan ukuran 5x5 mm untuk pemotretan tampak atas dan 5x3 mm untuk pemotretan tampak samping. Sampel diberi lapisan tipis Emas-paladium (Au : 80 % dan Pd : 20 %) setebal 400 Å dengan menggunakan mesin Ion Sputter JFC-1100, dengan kondisi pelapisan sebagai berikut : Tegangan : 1,2 KV Arus listrik
: 6-7,5 mA
Kevakuman
: 0,2 Torr
Waktu
: 4 menit
53
Pelapisan tersebut dilakukan agar sampel yang akan dilakukan pemotretan menjadi penghantar listrik dengan standar daya hantar yang sesuai dengan alat SEM JSM-6360LA. Sampel kemudian dianalisis dengan kondisi pengukuran: tegangan 20 kV pada perbesaran 500x, 3000x dan 10.000x. IV.2.4.4 Spektrofotometri UV-Visibel
Karakter serapan zat warna hasil ekstraksi dari kulit buah manggis dalam pelarut etanol maupun setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 dianalisis dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visibel Lamda Bio 20 Perkin Elmer. IV.2.5 Kinerja sel surya TiO2 tersensitisasi zat warna ekstrak kulit manggis IV.2.5.1 Pembuatan larutan elektrolit
Sebanyak 0,127 gram I2 dilarutkan ke dalam 10 mL etilen glikol kemudian ditambahkan dengan 0,83 gram KI dan diaduk hingga larut. IV.2.5.2 Pembuatan elektroda kerja dan elektroda lawan
Elektroda kerja dibuat dari lapis tipis TiO2 pada substrat kaca berkonduksi FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) yang telah mengadsorp ekstrak zat warna dari kulit buah manggis. Banyaknya pelapisan lapis tipis, waktu interaksi dan konsentrasi ekstrak yang digunakan berdasarkan pada proses optimasi adsorpsi. Pembuatan elektroda lawan dilakukan melalui evaporasi vakum emas murni pada substrat kaca berkonduksi (FTO). IV.2.5.3 Konstruksi sel surya
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan: elektroda kerja, larutan elektrolit pada media kertas saring dan elektroda lawan. Susunan konstruksi sel surya ditunjukkan pada gambar IV.1.
54
Gambar IV.1 Susunan sel surya
Setelah ketiga komponen dilekatkan, sel surya dijepit dengan menggunakan penjepit kertas, kemudian larutan elektrolit diinjeksikan pada kertas saring dengan menggunakan pipet tetes. Kontak pada sel surya dibuat dengan menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja, seperti yang disajikan pada gambar IV.2.
Gambar IV.2 Kontak pada konstruksi sel surya IV.2.5.4 Pengukuran I-V sel surya
Kinerja sel surya lapis tipis TiO2 berbasis sensitiser zat warna dipelajari melalui pengukuran arus dengan variasi tegangan (-200 sampai +600 mV). Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel surya sistem sandwich dilakukan menggunakan power supply DC, multimeter digital dan lampu bolam reflektor merk Chiyoda 40 watt (dengan jarak lampu – sel surya 10 cm). Pada pengukuran ini tegangan yang masuk ke sel di variasi dan arus yang terbaca pada amperemeter
55
dicatat. Pengukuran dilakukan pada kondisi gelap (tanpa cahaya) dan dengan cahaya. Diagram alat pengukuran I-V sel surya disajikan pada Gambar IV.3.
Gambar IV.3 Diagram alat pengukuran I-V sel surya
BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Dalam bab ini, disajikan hasil penelitian tentang : (1) pembuatan lapis tipis TiO2 di atas substrat kaca, (2) optimasi adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 (3) kajian serapan elektronik sistem lapis tipis TiO2-ekstrak kulit manggis, dan (4) karakterisasi sel surya TiO2 dengan menggunakan ekstrak kulit manggis sebagai sensitiser. Serbuk TiO2 yang digunakan pada penelitian ini adalah serbuk TiO2 P25 produksi Degussa, Jerman. V.1 Pembuatan lapis tipis TiO2 di atas substrat kaca
Pembuatan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca pada penelitian ini dilakukan melalui tahapan sebagai berikut : 1) perlakuan asam terhadap serbuk TiO2 P25 (Degussa), 2) pelapisan TiO2 pada substrat kaca dengan menggunakan teknik spray, dan 3) karakterisasi serbuk dan lapis tipis TiO2. V.1.1 Perlakuan asam terhadap serbuk TiO2 P25 (Degussa)
Serbuk TiO2 sangat mudah tergumpalkan jika terkena udara. Akibatnya suspensi yang dihasilkan mempunyai homogenitas dan reprodusibilitas yang rendah. Oleh karena itu, perlakuan asam dengan menggunakan HNO3 dilakukan untuk memodifikasi permukaan TiO2. Penelitian sebelumnya (Ito et al., 2003) telah membuktikan bahwa serbuk TiO2 P25 tanpa dikenai perlakuan dan yang telah dikenai perlakuan menggunakan HNO3 pada suhu 0
o
C cenderung
mengalami agregasi. Sementara itu, serbuk TiO2 P25 yang dikenai perlakuan menggunakan HNO3 pada suhu 80 oC memiliki ukuran partikel yang seragam.
56
57
Selain itu, dengan adanya ion NO3- pada permukaan TiO2, suspensi yang dihasilkan akan lebih stabil dan tidak mudah mengalami pengendapan sehingga akan meningkatkan kualitas perlekatan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca (Kartini et al., 2005). Peningkatan kestabilan mekanis lapis tipis TiO2 ini akan memberikan keuntungan pada penerapan lapis tipis sebagai substrat zat warna dalam sistem sel surya tersensitisasi zat warna. Ukuran partikel yang seragam tanpa mengalami penggumpalan diharapkan akan menghasilkan struktur lapisan TiO2 pada substrat kaca, tersusun sebagai tumpukan-tumpukan butiran kecil yang teratur sehingga interaksi antara TiO2 dengan kaca diharapkan menjadi lebih baik. Selain itu diharapkan pula akan terbentuk pori-pori antar partikel sehingga lapisan TiO2 yang dihasilkan memiliki luas permukaan yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan lapisan TiO2 yang tersusun atas partikel TiO2 yang mengalami penggumpalan/agregasi. Keberadaan pori antar partikel akan memudahkan proses evaporasi pelarut saat proses sintering dilakukan. Jika lapisan TiO2 pada substrat kaca tersusun sebagai partikel yang mengalami agregasi lapisan yang terbentuk cenderung mudah mengalami keretakan setelah dilakukan proses sintering sebagai akibat proses evaporasi pelarut yang terhambat. Hal ini biasa terjadi pada lapis TiO2 yang dibuat dengan menggunakan teknik slip casting, di mana lapisan TiO2 dibuat dengan menekan suspensi kental pada substrat kaca sehingga lapisan yang dihasilkan menjadi padat. Struktur lapisan yang rapat menyebabkan pelarut susah keluar saat proses sintering berlangsung dan akan menyebabkan terjadinya retakan-retakan pada lapisan TiO2.
58
Morfologi permukaan lapis tipis TiO2 hasil teknik slip (Heriyanti, 2006) dan teknik spray (Yufita, 2006) disajikan pada gambar V.2. Terlihat adanya keretakan lapisan sebagai akibat proses evaporasi pelarut terutama pada lapis tipis yang dibuat dengan teknik slip.
Gambar V.1 Morfologi permukaan lapisan TiO2 diatas substrat kaca pada perbesaran 3000x (a) teknik slip (Heriyanti, 2006), (b) teknik spray tanpa perlakuan asam (Yufita, 2006)
Pada penelitian ini dilakukan perpaduan antara perlakuan asam terhadap serbuk TiO2 dan pelapisan dengan menggunakan teknik spray sehingga perlekatan TiO2 pada substrat kaca menjadi lebih baik. V.1.2 Pelapisan TiO2 pada substrat kaca dengan menggunakan teknik spray
Proses pelapisan TiO2 pada substrat kaca dilakukan dengan menggunakan teknik spray, yaitu teknik pelapisan dengan cara menggunakan tekanan gas sebagai pemicu untuk menyemprotkan suspensi ke atas substrat kaca. Pada teknik pelapisan spray diperlukan tekanan gas yang cukup tinggi untuk mendapatkan hasil semprotan yang halus dan seragam. Dalam penelitian ini gas yang digunakan dalam proses pelapisan adalah gas nitrogen. Gas nitrogen dipilih sebagai gas pemicu untuk menyemprotkan suspensi TiO2 dengan alasan gas tersebut bersifat inert, memiliki kemurnian tinggi dan bersih dari pengotor-pengotor yang dapat
59
mempengaruhi kualitas dari lapisan TiO2 yang dihasilkan. Jika proses penyemprotan dilakukan dengan menggunakan kompresor dimungkinkan terdapat pengotor/debu yang akan terikut dalam suspensi yang disemprotkan sehingga akan mengotori dan menurunkan kualitas lapisan TiO2 pada substrat kaca. Dalam penelitian ini, tekanan gas yang digunakan dalam proses pelapisan sebesar 3,5 bar yang merupakan hasil optimasi. Semakin tinggi tekanan gas yang digunakan kualitas semprotan suspensi yang dihasilkan akan semakin halus dan seragam. Namun tekanan gas yang relatif tinggi kurang efisien jika dilihat dari aspek ekonomis, di mana semakin tinggi tekanan gas yang digunakan maka akan semakin banyak gas nitrogen yang dibutuhkan. Selain itu jika tekanan gas yang digunakan terlalu tinggi dapat merusak lapisan yang telah melekat pada substrat kaca. Faktor jarak juga dapat berpengaruh pada kualitas lapisan TiO2, dengan tekanan gas yang terlalu tinggi dan jarak yang relatif dekat dapat merusak struktur lapisan TiO2 yang belum begitu kering melekat pada substrat, di mana tekanan tinggi dan jarak yang relatif dekat akan menyebabkan lapisan TiO2 yang belum begitu kering menjadi luntur. Dalam penelitian ini penyemprotan suspensi TiO2 dilakukan dengan jarak antara 20-30 cm yang merupakan hasil optimasi selama penelitian. Jarak penyemprotan dioptimasi untuk mendapatkan kualitas lapisan yang baik dan untuk memperkecil kerusakan lapisan akibat tekanan gas yang relatif tinggi. Proses pelapisan TiO2 pada substrat kaca dilakukan dengan menggunakan alat air brush yang biasa digunakan dalam proses melukis. Alat ini memiliki diameter semprotan sekitar 0,3 mm sehingga diharapkan ukuran butiran TiO2 yang
60
dihasilkan relatif kecil dan seragam. Dengan ukuran butiran TiO2 yang relatif kecil dan seragam diharapkan perlekatan TiO2 pada substrat kaca menjadi lebih baik. Proses pelapisan TiO2 dengan menggunakan teknik spray dapat dikontrol dengan menggunakan banyaknya volume suspensi yang digunakan, lamanya proses penyemprotan maupun berat lapisan TiO2 yang dihasilkan. Dalam penelitian ini setiap pelapisan dikontrol dengan menggunakan banyaknya volume suspensi yaitu sebanyak 14 mL yang digunakan untuk menyemprot 24 buah kaca (@ 25,4 x 38,1 mm2) dengan waktu penyemprotan antara 20-25 menit. Untuk mengetahui reprodusibilitas dalam setiap proses pelapisan maka dilakukan penimbangan berat lapisan TiO2 yang dihasilkan setelah dilakukan proses sintering. Berat lapisan TiO2 dalam proses pembuatan lapis tipis TiO2 dengan frekuensi pelapisan 8x disajikan pada Gambar V.2.
Berat rata-rata (mg)
20
15 R2 = 0,9832 10
5
0 1
2
3
4 5 Pelapisan Lapis Tipis
6
7
8
Gambar V.2 Grafik hubungan antara berat lapis tipis rata-rata dengan frekuensi pelapisan
61
Dari grafik tersebut terlihat bahwa berat lapis tipis rata-rata mengalami kenaikan secara linier seiring dengan bertambahnya jumlah pelapisan TiO2. Dari grafik juga terlihat bahwa semakin banyak jumlah pelapisan, nilai deviasi standar dari berat lapis tipis semakin besar, hal ini berarti perbedaan berat lapis tipis antar kaca dalam sebuah periode pelapisan akan semakin besar dengan bertambahnya jumlah pelapisan. Untuk meminimalkan kesalahan dalam proses optimasi adsorpsi zat warna akibat perbedaaan ketebalan lapis tipis dari sebuah periode pelapisan maka lapis tipis yang digunakan adalah yang memiliki berat sama atau mendekati dengan nilai berat lapis tipis rata-rata. V.1.3 Karakterisasi serbuk dan lapis tipis TiO2
Untuk mengetahui karakter serbuk TiO2 sebelum maupun setelah perlakuan asam serta lapis tipis TiO2 setelah dilakukan proses sintering, maka dilakukan karakterisasi dengan menggunakan spektroskopi inframerah (FTIR), difraksi sinar-X (XRD), dan scanning electron microscopy (SEM). V.1.3.1 Karakterisasi gugus fungsional
Analisis dengan spektroskopi inframerah dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui gugus-gugus fungsional yang ada pada serbuk TiO2 P25, serbuk TiO2 P25 setelah dikenai perlakuan asam dan lapis tipis TiO2 setelah proses sintering. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui keberadaan gugus NO3- yang teradsorp pada serbuk TiO2. Pola serapan inframerah serbuk TiO2 P25, serbuk TiO2 setelah perlakuan asam dan lapis tipis TiO2 setelah proses sintering ditampilkan dalam Gambar V.3.
62
Gambar V.3 Spektra FTIR, (a) serbuk TiO2 P25, (b) serbuk TiO2 P25 setelah perlakuan asam dengan HNO3 , dan (c) lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2/HNO3 setelah proses sintering
Data serapan spektra FTIR serbuk dan lapis tipis TiO2 disajikan dalam Tabel V.1. Tabel V.1 Serapan spektra FTIR serbuk dan lapis tipis TiO2
Bilangan gelombang (cm-1) Referensi TiO2 P25 3448,5a 3425,3 a 1639,4 1627,8 b 1380
Serapan karakteristik
TiO2/NO3 Lapis tipis TiO2 4000-2000 3429,2 OH dari H2O 1624,0 1635,5 serapan serapan lemah Gugus NO3tajam pada pada 1384,8 1382,9 900-400c serapan serapan lebar serapan lebar Karakteristik TiO2 lebar pada pada 800pada 800-500 (ν Ti-O-Ti) 800-500 500 a Nyquist, 1997 b Ito et al., 2003 c Kartini, 2004; Kumar, 2000
63
Puncak dominan pada bilangan gelombang 1382 cm-1 (Gambar V.3.b) menunjukkan adanya ion nitrat yang teradsorp kuat pada permukaan serbuk TiO2 setelah proses perlakuan asam dengan menggunakan HNO3. Hal ini membuktikan bahwa proses perlakuan asam menggunakan HNO3 yang dilakukan selama 4 jam dengan suhu 80 oC dan dilanjutkan dengan pengadukan pada suhu kamar selama semalam kemudian diikuti dengan evaporasi pelarut pada suhu 100 oC telah berhasil memasukkan HNO3 pada permukaan serbuk TiO2. Meskipun HNO3 merupakan molekul yang bersifat volatil, pemanasan maupun evaporasi pelarut selama proses perlakuan asam tidak mengakibatkan HNO3 menguap sehingga HNO3 akan tetap tinggal pada permukaan TiO2. Setelah serbuk TiO2/HNO3 dilapiskan pada substrat kaca dan dikalsinasi pada suhu 450 oC selama satu jam, puncak pada bilangan gelombang (Gambar
V.3.c)
intensitasnya
berkurang
secara
signifikan.
1382 cm-1 Hal
ini
mengindikasikan bahwa asam nitrat yang berada pada permukaan serbuk TiO2 dapat dihilangkan dengan proses sintering pada suhu 450 oC selama satu jam, meskipun keberadaan asam nitrat tidak dapat dihilangkan secara keseluruhan dan masih meninggalkan sedikit residu pada permukaan TiO2. Serapan di sekitar bilangan gelombang 1620 cm-1 mengindikasikan adanya H2O pada permukaan serbuk TiO2. Serapan ini teramati untuk ketiga spektra IR, hal ini disebabkan karena serbuk TiO2 bersifat higroskopis sehingga sangat mudah menyerap molekul H2O. Meskipun lapis tipis TiO2 telah dikalsinasi pada suhu 450 oC, ternyata masih terdapat molekul H2O pada permukaan TiO2, hal ini
64
kemungkinan besar terjadi karena TiO2 menyerap H2O kembali dari udara setelah proses sintering maupun selama penyimpanan sebelum dilakukan analisis. V.1.3.2 Karakterisasi fasa dan ukuran kristal
Karakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-X dilakukan untuk mengetahui fasa dan ukuran kristal dari serbuk TiO2 P25, serbuk TiO2 P25 setelah proses perlakuan asam (TiO2/HNO3) dan lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2/HNO3. Difraktogram yang diperoleh disajikan dalam Gambar V.4.
Gambar V.4 Difraktogram TiO2, (a) serbuk TiO2 P25, (b) serbuk TiO2/HNO3, dan (c) lapis tipis TiO2 pelapisan 5x
65
Dari difraktrogram yang dihasilkan terlihat bahwa serbuk TiO2 setelah melalui proses perlakuan asam mengalami sedikit penurunan intensitas dan pergeseran ke arah 2θ yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan difraktogram dari serbuk TiO2 sebelum perlakuan asam. Pergeseran ke arah 2θ yang lebih tinggi semakin besar setelah serbuk TiO2 dideposisikan pada substrat kaca dan dikalsinasi pada suhu 450 oC. Intensitas difraktogram dari lapis tipis TiO2 jauh lebih rendah bila dibandingkan dengan intensitas difraktogram dari serbuk TiO2 disebabkan karena jumlah sampel yang dianalisis berbeda, di mana serbuk TiO2 dianalisis dengan menggunakan kuvet XRD yang memiliki kapasitas sampel tertentu sementara lapis tipis TiO2 langsung dianalisis diatas substrat kaca sehingga jumlah sampel yang dianalisis menjadi lebih sedikit. Berdasarkan hukum Bragg harga 2θ berbanding terbalik dengan jarak antar bidang (d), sehingga dengan pergeseran ke arah 2θ yang lebih tinggi maka jarak antar bidang menjadi semakin kecil. Dari data difraktrogram dapat ditentukan jarak antar bidang (d) dengan menggunakan persamaan Bragg, dan ukuran fasa kristal (D) yang ditentukan dengan menggunakan persamaan Scherrer. Hasil perhitungan disajikan dalam tabel V.2. Tabel V.2 Ukuran fasa kristal serbuk dan lapis tipis TiO2
Anatase (d101) d (Å) D (nm) Data JCPDS 3,520 TiO2 P25 25,33 3,513 20,39 TiO2 perlakuan asam 25,35 3,510 19,78 25,93 3,433 20,13 Lapis tipis TiO2 2θ
Rutile (d110) d (Å) D (nm) 3,247 27,46 3,245 25,65 27,48 3,243 26,35 28,05 3,178 27,29 2θ
66
Dari Tabel V.2 terlihat bahwa jarak antar bidang (d) serbuk TiO2 P25 maupun serbuk TiO2 setelah perlakuan asam mengalami penurunan tetapi tidak mengalami perubahan yang cukup berarti. Jarak antar bidang fasa anatase (d101) maupun rutile (d110) dari serbuk TiO2 P25 maupun serbuk TiO2 setelah perlakuan asam tidak jauh berbeda dengan data JCPDS. Pada lapis tipis TiO2 jarak antar bidang menjadi semakin kecil baik untuk anatase (d101) maupun rutile (d110). Ukuran kristal fasa anatase serbuk TiO2 setelah perlakuan asam mengalami sedikit penurunan bila dibandingkan dengan ukuran kristal fasa anatase dari serbuk TiO2 sebelum perlakuan asam. Sedangkan ukuran kristal fasa rutile mengalami sedikit peningkatan setelah dilakukan perlakuan asam. Setelah serbuk TiO2/HNO3 dideposisikan pada substrat kaca, ukuran kristal fasa anatase maupun rutile mengalami peningkatan bila dibandingkan dengan ukuran kristal serbuk TiO2/HNO3. Berdasarkan data difraktogram dapat dinyatakan bahwa serbuk TiO2 P25 tersusun atas fasa kristal anatase dan rutile. Komposisi fasa anatase dan rutile dalam lapis tipis TiO2 dapat ditentukan melalui perhitungan fraksi berat anatase menurut Spurr dan Meyers (Farrell, 2001). Dari perhitungan (Lampiran 1) didapatkan persentase anatase dan rutile yang disajikan dalam Tabel V.3. Tabel V.3 Komposisi fasa anatase dan rutile serbuk dan lapis tipis TiO2
TiO2 TiO2 P25 (Degussa) TiO2 perlakuan asam Lapis tipis TiO2
Anatase 84,5 % 84,2 % 83,6 %
Rutile 15,5 % 15,8 % 16,4 %
67
Data Tabel V.3 menunjukkan bahwa komposisi TiO2 P25 (Degussa) mendekati harga teoritis, yaitu tersusun dari 80 % anatase dan 20 % rutile (Kartini, 2004). Dari tabel tersebut terlihat bahwa terjadi penurunan komposisi kristal anatase disertai dengan terjadinya peningkatan fasa rutile meskipun perubahan yang terjadi tidak begitu signifikan. Perubahan komposisi tersebut disebabkan karena secara termodinamik fasa anatase kurang stabil dan lebih cenderung menyukai fasa rutile. Fasa anatase pada suhu tinggi cenderung berubah menjadi fasa rutile, selain itu dengan adanya asam energi aktivasi pembentukan rutile akan menjadi lebih rendah. Tingginya persentase fase kristal anatase diharapkan akan menghasilkan kinerja yang optimum pada sistem sel surya berbasis sistem lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna. Telah dibuktikan bahwa fasa kristal TiO2 yang efektif digunakan sebagai lapis tipis sel surya adalah anatase (Kartini, 2004). Hal tersebut disebabkan karena transpor muatan pada lapisan rutile lebih lambat dibandingkan pada lapisan anatase, karena sifat fisis partikel rutile yang lebih mampat. Selain itu, luas permukaan lapis tipis TiO2 rutile yang lebih kecil menyebabkan jumlah zat warna yang teradsorp menjadi lebih sedikit. Meskipun demikian, adanya campuran anatase dan rutile sangat menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile yang memiliki energi band gap lebih rendah daripada anatase, dapat memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron dalam sistem sel surya. Rekombinasi elektron dalam sistem sel surya yang dapat dicegah dengan adanya fasa kristal rutile disajikan dalam Gambar V.5.
68
jalur rekombinasi Zat warna*
keadaan eksitasi zat warna
e-
3,0 ev
3,2 ev
CB anatase CB rutile redoks elektrolit Zat warna
keadaan dasar zat warna
VB
Gambar V.5 Jalur rekombinasi dalam sistem sel surya TiO2 yang dapat diminimalisasi dengan adanya campuran fasa rutile
Pada sistem sel surya TiO2 terdapat tiga jalur utama rekombinasi yang dapat diminimalkan dengan adanya campuran fasa kristal rutile, jalur rekombinasi yang pertama elektron yang telah tereksitasi akan kembali ke keadaan dasar zat warna yang dapat disebabkan karena tingkat energinya belum tepat untuk melakukan injeksi ke pita konduksi anatase, dengan adanya campuran fasa rutile yang memiliki tingkat energi lebih rendah diharapkan elektron dapat terinjeksi pada pita konduksi rutile. Jalur rekombinasi yang kedua dan ketiga yaitu elektron yang telah terinjeksi pada pita konduksi anatase akan kembali ke keadaan dasar zat warna atau ke tingkat energi pasangan redoks elektrolit. Dengan adanya fasa rutile yang memiliki tingkat energi pita konduksi lebih rendah diharapkan elektron yang akan terekombinasi dapat tertahan pada pita konduksi rutile. Lapis tipis TiO2 yang dihasilkan dalam penelitian ini memiliki komposisi fasa kristal anatase dan rutile sehingga lapis tipis tersebut diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem sel surya TiO2 tersensitisasi zat warna (DSSC).
69
V.1.3.3 Karakterisasi morfologi lapis tipis
Analisis dengan menggunakan scanning electron microscopy (SEM) dilakukan untuk mengetahui ketebalan dan morfologi lapisan TiO2 pada substrat kaca. Penampang lintang lapis tipis TiO2 untuk masing-masing pelapisan disajikan pada Gambar V.6, sedangkan morfologi permukaan lapis tipis disajikan pada Gambar V.9.
Gambar V.6 Penampang lintang (cross section of bilayer) lapis tipis TiO2 dengan perbesaran 10.000x, (a) lapis tipis pelapisan 1x, (b) lapis tipis pelapisan 5x, dan (c) lapis tipis pelapisan 8x
Ketebalan lapis tipis ditentukan dengan mengukur ketebalan lapisan TiO2 pada foto penampang lintang SEM dengan menggunakan software Scion image versi Alpha 4.0.3.2 pada 20 posisi, kemudian harga ketebalan dirata-ratakan. Pengukuran memberikan hasil harga ketebalan untuk lapis tipis pelapisan 1x sebesar 0,91 ± 0,07 µm, lapis tipis pelapisan 5x sebesar 1,73 ± 0,21 µm dan lapis tipis pelapisan 8x sebesar 3,51 ± 0,15 µm. Grafik hubungan antara ketebalan lapis tipis dengan banyaknya pelapisan lapis tipis disajikan pada Gambar V.7. Dari grafik tersebut terlihat bahwa ada hubungan yang linier antara ketebalan lapis tipis TiO2 dengan banyaknya pelapisan suspensi TiO2 pada substrat kaca.
70
Ketebalan (µm)
4,0
3,0
R2 = 0,9559
2,0
1,0
0,0 1
5
8
Pelapisan Lapis Tipis
Gambar
V.7
Grafik hubungan antara ketebalan banyaknya pelapisan lapis tipis
lapis
tipis
dengan
Gambar V.6 menunjukkan bahwa lapis tipis dengan pelapisan 5x dan pelapisan 8x, struktur antar lapisannya sangat homogen dan tidak terlihat adanya batas lapisan yang disebabkan oleh proses pelapisan berulang. Hal ini mengindikasikan bahwa setiap lapis dari proses pelapisan berulang dapat menjadi satu dan menghasilkan sebuah lapisan tunggal yang homogen. Dengan berpadunya setiap lapis pada proses pelapisan berulang diharapkan dapat meningkatkan perlekatan antar lapis pada setiap proses pelapisan. Dari penampang melintang lapis tipis TiO2 tidak terlihat adanya partikel TiO2 yang masuk pada struktur kaca, ini berarti bahwa proses perlekatan lapisan TiO2 hanya sebatas pada permukaan kaca, belum sampai menembus ke struktur kaca. Dengan demikian kekuatan mekanis perlekatan lapisan TiO2 di atas substrat kaca belum begitu kuat. Namun bila dibandingkan dengan lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2 P25 tanpa perlakuan asam, lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2 P25 dengan perlakuan asam memiliki kekuatan mekanis yang lebih kuat, di mana lapis tipis yang dibuat dari serbuk dengan perlakuan asam lebih
71
tahan terhadap goresan tangan, sedangkan lapis tipis yang dibuat dari serbuk TiO2 tanpa perlakuan asam lebih mudah terkelupas jika terkena goresan. Meskipun telah terbukti perlakuan asam dengan HNO3 terhadap serbuk TiO2 P25 mampu meningkatkan kualitas perlekatan TiO2 pada substrat kaca, namun sampai saat ini belum diketahui secara pasti mekanisme perlekatan TiO2/HNO3 dengan kaca. Kestabilan mekanis yang berbeda antara lapis tipis TiO2 yang dibuat melalui proses perlakuan asam dan tidak melalui proses perlakuan asam kemungkinan berhubungan dengan morfologi lapisan yang dihasilkan. Yufita (2006) telah melakukan pembuatan lapis tipis TiO2 menggunakan teknik pelapisan spray dengan menggunakan serbuk TiO2 P25 (Degussa) tanpa perlakuan asam. Hasil karakterisasi menggunakan SEM yang dilakukan Yufita (2006) terhadap lapis tipis TiO2 tanpa perlakuan asam menunjukkan morfologi yang berbeda bila dibandingkan dengan morfologi lapis tipis TiO2 yang dibuat dari serbuk TiO2 dengan perlakuan asam yang dibuat dalam penelitian ini. Perbandingan morfologi lapis tipis TiO2 dengan dan tanpa perlakuan asam disajikan pada Gambar V.8.
Gambar V.8 Scanning electron micrograph permukaan lapis tipis TiO2 pada perbesaran 3000x, (a) lapis tipis TiO2 tanpa perlakuan asam pelapisan 1x (Yufita, 2006), (b) lapis tipis TiO2 dengan perlakuan asam pelapisan 1x
72
Bila dibandingkan antara lapis tipis TiO2 tanpa dan dengan perlakuan asam, secara visual lapis tipis TiO2 tanpa perlakuan asam memiliki morfologi yang lebih rentan terhadap pengelupasan. Morfologi permukaan lapis tipis pada Gambar V.8a yang diberi tanda lingkaran, secara visual memiliki kestabilan mekanis yang kurang baik dan kemungkinan akan lebih mudah terkelupas jika terkena goresan. Morfologi permukaan TiO2 dengan perlakuan asam menujukkan struktur yang lebih kompak dan homogen serta terbentuk rongga sebagai akibat evaporasi pelarut dan nitrat, struktur seperti ini diharapkan akan meningkatkan perlekatan TiO2 dengan substrat kaca. Dari Gambar V.8 juga terlihat bahwa morfologi permukaan lapis tipis TiO2 dengan perlakuan asam memiliki rongga yang lebih baik bila dibandingkan dengan lapis tipis TiO2 tanpa perlakuan asam. Adanya struktur rongga yang lebih baik diharapkan lapis tipis TiO2 dengan perlakuan asam akan lebih efektif dalam mengadsorp zat warna. Selain itu dengan adanya rongga yang cukup lebar diharapkan zat warna dapat terjangkau oleh larutan elektrolit sehingga interaksi antara zat warna dengan larutan elektrolit menjadi lebih efektif. Adanya interaksi yang efektif antara zat warna dengan elektrolit dapat mempercepat proses regenerasi zat warna melalui proses donasi elektron hasil oksidasi iodida kepada zat warna yang bermuatan positif (D+) karena telah melakukan injeksi elektron. Morfologi permukaan lapis tipis TiO2 untuk masing-masing pelapisan disajikan dalam Gambar V.9.
73
Gambar V.9 Scanning electron micrograph permukaan lapis tipis TiO2, (atas) perbesaran 500x, dan (bawah) perbesaran 3000x, (a) pelapisan 1x, (b) pelapisan 5x, dan (c) pelapisan 8x
Dari Gambar V.9 terlihat bahwa morfologi lapisan TiO2 diatas substrat kaca untuk pelapisan 1x dan 5x memiliki struktur pori yang berbentuk seperti jaringjaring. Sementara untuk lapis tipis pelapisan 8x memiliki struktur pori lebih rapat bila dibandingkan dengan lapis tipis pelapisan 1x dan 5x. Rongga-rongga yang terbentuk pada lapis tipis pelapisan 1x maupun 5x, kemungkinan besar terbentuk sebagai akibat evaporasi pelarut dan asam nitrat yang berlangsung saat proses sintering. Rongga yang terbentuk terlihat jelas untuk lapis tipis pelapisan 1x dan mulai tidak terlihat pada pelapisan 5x, sedangkan lapis tipis pelapisan 8x strukturnya menjadi lebih rapat. Struktur pori yang semakin rapat dimungkinkan sebagai akibat semakin tebalnya lapisan dan dilakukannya proses sintering berulang pada lapis tipis TiO2. Dengan melihat kecenderungan morfologi permukaan lapis tipis TiO2 terhadap jumlah pelapisan, dapat disimpulkan bahwa semakin banyak jumlah
74
pelapisan, struktur lapisannya cenderung semakin rapat. Hal ini diperkuat dengan data kenaikan berat lapis tipis yang dikaitkan dengan kenaikan ketebalan lapis tipis yang disajikan dalam Gambar V.10.
Gambar V.10 (a) Grafik hubungan berat lapis tipis terhadap jumlah pelapisan lapis tipis, dan (b) grafik hubungan ketebalan lapis tipis terhadap jumlah pelapisan lapis tipis
Dari gambar V.10 terlihat bahwa kenaikan berat lapis tipis rata-rata sesuai dengan kenaikan berat lapis tipis secara hipotetik, di mana berat lapis tipis pelapisan 5x sama dengan lima kali berat lapis tipis pelapisan 1x, dan lapis tipis pelapisan 8x beratnya sesuai dengan delapan kali berat lapis tipis pelapisan 1x. Hal ini berarti pertambahan berat TiO2 untuk setiap kali pelapisan besarnya sama. Jika struktur lapisannya tidak berubah pada setiap kali pelapisan, semestinya kenaikan ketebalan lapis tipis juga akan sesuai dengan kenaikan ketebalan lapis tipis secara hipotetik, tetapi pada kenyataannya kenaikan ketebalan lapis tipis jauh lebih rendah dari yang diharapkan. Kenaikan ketebalan lapis tipis yang lebih rendah dari yang diharapkan menunjukkan adanya pemampatan struktur lapisan TiO2 pada pelapisan lapis tipis berikutnya, sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin banyak jumlah pelapisan lapis tipis, strukturnya akan semakin padat.
75
V.2 Optimasi adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2
Proses optimasi adsorpsi zat warna ekstrak kulit buah manggis pada lapis tipis TiO2 perlu dilakukan untuk memaksimalkan banyaknya zat warna yang teradsorp pada lapis tipis TiO2. Lamanya waktu adsorpsi zat warna pada lapis tipis TiO2 bergantung pada morfologi lapisan TiO2, ketebalan lapisan dan konsentrasi awal dari zat warna yang digunakan. Semakin banyak zat warna yang teradsorp pada lapis tipis TiO2 akan semakin meningkatkan efisiensi dari sel surya, karena keberadaan zat warna pada permukaan TiO2 memiliki peran sebagai penginjeksi elektron pada pita konduksi. Tanpa adanya zat warna pada permukaan TiO2 maka tidak akan terjadi aliran elektron sehingga tidak akan dihasilkan arus listrik pada sistem sel surya. Proses optimasi adsorpsi zat warna pada permukaan lapis tipis TiO2 perlu dilakukan untuk mengetahui kondisi saat proses adsorpsi telah mencapai optimum. Optimasi adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 dilakukan dengan melakukan kajian adsorpsi dengan variabel ketebalan lapis tipis (jumlah pelapisan lapis tipis), waktu interaksi dan konsentrasi awal dari zat warna. Proses adsorpsi zat warna dilakukan dalam pelarut etanol. Digunakan etanol dalam proses adsorpsi dengan alasan etanol dapat melarutkan zat-zat warna organik karena memiliki sifat kepolaran yang hampir sama antara zat warna organik dengan etanol. Selain itu etanol memiliki sifat mudah menguap sehingga ketika proses pewarnaan selesai pelarut yang tertinggal pada lapis tipis TiO2 dapat kering dengan mudah ketika lapis tipis diangkat dari larutan zat warna. Hal ini
76
sangat membantu ketika lapis tipis TiO2 yang telah mengadsorp zat warna akan segera digunakan sebagai elektroda kerja dalam sistem sel surya. Sebelum dilakukan proses adsorpsi zat warna, dilakukan pemanasan terhadap lapis tipis TiO2 untuk mengurangi kandungan uap air pada permukaan lapis tipis. Hal ini dilakukan karena TiO2 memiliki sifat higroskopis. Adanya uap air yang teradsorp pada permukaan TiO2 dapat menurunkan kapasitas adsorpsi dari lapis tipis TiO2 karena sisi aktif dari lapisan TiO2 telah ditempati oleh molekul H2O. Oleh karena itu, sebelum proses adsorpsi dilakukan pemanasan terhadap lapis tipis TiO2 dan lapis tipis dimasukkan ke dalam larutan zat warna pada saat masih hangat. Dalam penelitian ini sebelum proses adsorpsi dilakukan lapis tipis dipanaskan terlebih dahulu pada temperatur 60 oC selama 15 menit, kemudian lapis tipis dimasukkan ke dalam larutan zat warna ketika kondisinya masih hangat. Proses adsorpsi zat warna pada lapis tipis TiO2 dilakukan dalam suatu wadah yang dibungkus dengan aluminium foil untuk meminimalkan kontak dengan cahaya matahari. Hal ini dilakukan untuk mencegah terjadinya proses degradasi zat warna karena efek fotokatalis yang dimiliki semikonduktor TiO2. Penentuan konsentrasi zat warna yang teradsorp pada lapis tipis TiO2 dilakukan berdasarkan penghitungan selisih konsentrasi awal dan konsentrasi akhir zat warna setelah proses adsorpsi berlangsung. Setelah proses adsorpsi selesai larutan zat warna diambil dari wadah dengan menggunakan jarum suntik. Hal ini dilakukan untuk meminimalkan terjadinya penguapan pelarut selama pengambilan sampel yang dapat mempengaruhi hasil analisis. Penentuan
77
konsentrasi zat warna yang teradsorp pada lapis tipis TiO2 dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visibel. Larutan zat warna awal dan akhir setelah proses adsorpsi dianalisis nilai absorbansinya pada panjang gelombang optimum 539 nm. Nilai absorbansi dikonversi menjadi konsentrasi dalam % (v/v) ekstrak dengan menggunakan metode kurva standar. V.2.1 Penentuan ketebalan lapis tipis optimum
Penentuan ketebalan lapis tipis optimum untuk proses adsorpsi zat warna hasil ekstraksi kulit buah manggis dilakukan dengan melakukan proses adsorpsi menggunakan lapis tipis yang dibuat dengan frekuensi pelapisan bervariasi pada konsentrasi zat warna dan waktu adsorpsi tertentu. Dalam penelitian ini variasi pelapisan lapis tipis yang digunakan yaitu lapis tipis hasil pelapisan 1x, 5x, dan 8x, sementara konsentrasi zat warna yang digunakan sebesar 15 % (v/v) dengan waktu adsorpsi selama 21 jam. Hasil penelitian disajikan dalam gambar V.11.
C ads (% v/v)
2,5 1,9
2,0
1,7
1,5 1,0
0,6
0,5 0,0 1
5
8
Pelapisan Lapis Tipis
Gambar V.11 Grafik hubungan konsentrasi ekstrak manggis teradsorp versus banyaknya pelapisan lapis tipis
78
Dari gambar V.11 terlihat bahwa konsentrasi zat warna yang teradsorp pada lapis tipis 5x pelapisan mengalami kenaikan yang signifikan bila dibandingkan dengan konsentrasi teradsorp pada lapis tipis 1x pelapisan, sementara konsentrasi zat warna teradsorp pada lapis tipis 8x pelapisan tidak menunjukkan kenaikan yang berarti bila dibandingkan dengan konsentrasi zat warna yang teradsorp pada lapis tipis 5x pelapisan. Hal ini sesuai dengan morfologi permukaan lapis tipis yang ditunjukkan oleh foto SEM, di mana lapis tipis dengan pelapisan 8x memiliki struktur pori yang lebih rapat. Struktur pori yang lebih rapat menyebabkan kenaikan luas permukaan tidak sebanding dengan bertambahnya pelapisan lapis tipis, sehingga adsorbat yang teradsorp tidak akan mengalami kenaikan yang berarti. V.2.1 Penentuan waktu interaksi optimum
Penentuan waktu optimum ini dilakukan dengan cara melakukan variasi waktu interaksi ekstrak kulit manggis dengan lapis tipis TiO2 hasil pelapisan dengan jumlah pelapisan dan konsentrasi ekstrak zat warna tertentu. Dalam penelitian ini, variasi waktu yang digunakan adalah 1, 5, 15, 20, 30, 60, 120, 180 dan 360 menit, sedangkan ketebalan lapis tipis dan konsentrasi larutan zat warna hasil ekstrak yang digunakan tetap yaitu lapis tipis hasil pelapisan 5x dan konsentrasi ekstrak sebesar 15 % (v/v). Data yang diperoleh diolah menjadi grafik hubungan antara konsentrasi zat warna teradsorpsi versus waktu interaksi. Hasil penelitian disajikan pada Gambar V.12.
79
Gambar V.12 Grafik hubungan konsentrasi ekstrak manggis teradsorp versus waktu interaksi ekstrak manggis dengan lapis tipis TiO2
Trend line gambar V.12 menunjukkan bahwa pada selang waktu 0 - 120 menit proses adsorpsi berlangsung cepat di mana kenaikan adsorpsi sejalan dengan kenaikan waktu interaksi, sedangkan untuk waktu interaksi ≥ 120 menit jumlah ekstrak manggis yang teradsorpsi tidak mengalami peningkatan yang berarti. Hal ini berarti bahwa telah terjadi kesetimbangan antara adsorben lapis tipis TiO2 dengan ekstrak kulit manggis dalam larutan. V.2.1 Penentuan konsentrasi optimum
Penentuan konsentrasi optimum dilakukan dengan melakukan variasi konsentrasi awal zat warna hasil ekstraksi kulit buah manggis dengan ketebalan lapis tipis dan waktu interaksi tertentu. Dalam penelitian ini variasi konsentrasi yang dilakukan yaitu 2,5 %, 5 %, 10 %, 15 % dan 20 % (v/v) dengan lapis tipis hasil pelapisan 5x dan waktu interaksi optimum yang telah ditentukan sebelumnya yaitu selama 120 menit. Hasil penelitian disajikan pada gambar V.13.
80
Cads (%v/v)
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
5
10
15
20
25
C aw al (% v/v)
Gambar V.13 Grafik hubungan konsentrasi ekstrak manggis teradsorp versus konsentrasi awal
Dari grafik tersebut terlihat bahwa pada konsentrasi awal dibawah 15 % (v/v), dengan waktu interaksi selama 120 menit, besarnya konsentrasi zat warna yang teradsorp naik seiring dengan bertambahnya konsentrasi awal. Sedangkan pada konsentrasi awal lebih besar dari 15 % (v/v), zat warna yang teradsorp tidak mengalami kenaikan yang berarti. Hal ini berarti bahwa kapasitas adsorpsi lapis tipis TiO2 telah dapat terpenuhi dengan konsentrasi awal 15 % (v/v) dengan waktu interaksi selama 120 menit. Dari proses optimasi adsorpsi terlihat bahwa saat kesetimbangan, lapis tipis TiO2 dengan pelapisan 5x memiliki kapasitas adsorpsi zat warna ekstrak manggis berkisar antara 1,5-1,7 % (v/v). Jika kapasitas adsorpsi maksimum lapis tipis TiO2 berkisar antara 1,5-1,7 % (v/v) , maka semestinya dengan memberikan konsentrasi awal zat warna 2,5-10 % (v/v) sudah dapat memenuhi kapasitas lapis tipis TiO2, akan tetapi dari Gambar V.13 terlihat bahwa dengan menggunakan konsentrasi awal zat warna sebesar 2,5 %, 5 % dan 10 % (v/v) dengan waktu interaksi selama 120 menit zat warna yang teradsorp masih kurang dari 1 % (v/v) padahal masih
81
terdapat sisa zat warna di dalam larutan. Hal ini dimungkinkan karena konsentrasi awal yang berbeda memiliki waktu kesetimbangan yang berbeda, di mana konsentrasi awal yang lebih rendah akan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mencapai keadaan setimbang. Hal ini sesuai dengan persamaan umum laju reaksi yang menyatakan bahwa laju reaksi sebanding dengan konsentrasi pangkat order reaksi ( r ~ Cn ). Dengan demikian semakin tingggi konsentrasi maka laju reaksinya akan semakin besar sehingga waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan akan semakin kecil. Konsentrasi zat warna teradsorp belum dapat memenuhi kapasitas maksimum dari lapis tipis TiO2 meskipun konsentrasi awal yang diberikan sudah lebih besar dari kapasitas adsorpsi maksimum, hal ini kemungkinan disebabkan pada konsentrasi awal tersebut diperlukan waktu yang lebih lama untuk mencapai kesetimbangan. Dalam penelitian ini, variasi konsentrasi dilakukan pada waktu interaksi 120 menit yang merupakan hasil dari proses optimasi waktu interaksi yang dilakukan dengan menggunakan konsentrasi awal 15 % (v/v), sehingga ada kemungkinan jika konsentrasi awal yang digunakan dalam proses optimasi waktu interaksi dibawah 15 % (v/v) akan didapatkan waktu kesetimbangan yang lebih lama. Jika dalam proses variasi konsentrasi awal dilakukan dengan menggunakan waktu interaksi yang lebih lama (lebih dari 120 menit), ada kemungkinan zat warna yang teradsorp untuk konsentrasi awal 2,5 %, 5 %, dan 10 % (v/v) akan mengalami kenaikan hingga kapasitas maksimum lapis tipis TiO2 terpenuhi. Akan tetapi ada kemungkinan hal tersebut bukan diakibatkan oleh adanya perbedaan waktu kesetimbangan pada setiap konsentrasi awal yang berbeda, hal tersebut dapat juga diakibatkan karena
82
adanya kompetisi antara pelarut dengan zat warna, di mana pada konsentrasi rendah pelarut lebih banyak sehingga lebih unggul dalam kompetisi untuk teradsorp pada lapis tipis TiO2 sehingga zat warna yang teradsorp menjadi lebih rendah. Apabila fenomena tersebut diakibatkan karena perbedaan waktu kesetimbangan untuk setiap konsentrasi awal yang berbeda, maka kemungkinan besar kapasitas maksimum lapis tipis TiO2 dapat terpenuhi dengan menggunakan konsentrasi awal lebih rendah dari 15 % (v/v) akan tetapi dibutuhkan waktu interaksi yang lebih lama. V.3 Kajian serapan elektronik sistem lapis tipis TiO2-ekstrak kulit manggis
Serapan elektronik zat warna ekstrak kasar kulit buah manggis dalam pelarut etanol dikarakterisasi dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Sedangkan karakterisasi serapan elektronik zat warna ekstrak kulit manggis setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis yang dilengkapi dengan integrating sphere Diffuse Reflectance (DR-UV Vis). Karakter serapan elektronik zat warna ekstrak kulit buah manggis dan sistem lapis tipis TiO2-ekstrak kulit manggis disajikan pada Gambar V.14. Dari gambar V.14 terlihat bahwa ekstrak kulit buah manggis memiliki serapan elektronik yang cukup lebar pada daerah cahaya tampak. Hal ini menjadikan ekstrak kulit buah manggis sangat berpotensi sebagai sensitiser yang efektif dalam sistem sel surya karena memiliki jangkauan serapan elektronik yang cukup lebar sehingga sel surya yang dihasilkan akan memiliki respon spektra dengan rentang yang cukup lebar pada daerah tampak.
83
Gambar V.14 Spektra elektronik zat warna ekstrak kulit buah manggis, (a) dalam pelarut etanol, dan (b) setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2
Menurut Dai dan Rabbani (2002) kinerja ekstrak alami biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang serupa, hal ini dimungkinkan karena adanya campuran zat warna pada beberapa ekstrak. Serapan elektronik yang cukup lebar di daerah cahaya tampak dari ekstrak kulit manggis disebabkan karena di dalam ekstrak dimungkinkan tidak hanya mengandung satu jenis zat warna melainkan terdiri dari beberapa zat warna yang berbeda, sehingga serapan elektronik yang dihasilkan merupakan hasil adisi dari berbagai zat warna tersebut. Hal ini menjadi salah satu keunggulan zat warna alami sebagai sensitiser sel surya bila dibandingkan dengan zat warna hasil sintesis. Zat warna hasil sintesis hanya terdiri dari satu jenis zat warna dan pada umumnya hanya memiliki satu puncak serapan elektronik di sekitar panjang gelombang optimumnya dan tidak memiliki serapan elektronik pada panjang gelombang yang relatif jauh dari panjang gelombang optimumnya. Zat warna
84
hasil sintesis hanya meningkatkan respon spektra dari sel surya pada rentang panjang gelombang yang lebih sempit bila dibandingkan dengan zat warna alami yang memiliki serapan elektronik dengan rentang yang lebih lebar karena adanya campuran beberapa zat warna dalam hasil ekstrak. Jika respon spektra dari sel surya memiliki rentang yang cukup lebar pada daerah cahaya tampak maka konversi cahaya tampak menjadi energi listrik akan menjadi semakin efektif. Dari gambar V.14 terlihat bahwa λ optimum zat warna ekstrak kulit manggis setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 mengalami pergeseran merah (red shift) bila dibandingkan dengan λ optimum zat warna ekstrak kulit manggis dalam pelarut etanol. Data pergeseran panjang gelombang serapan elektronik zat warna ekstrak kulit manggis disajikan dalam Tabel V.4. Tabel V.4 Pergeseran serapan elektronik zat warna ekstrak kulit manggis λ Serapan dalam etanol Serapan pada lapis tipis Pergeseran (nm) TiO2 (nm) (nm) λmax 1 383 426 43
λmax 2
539
547
8
λtepi
669
690
21
Pergeseran serapan elektronik ke arah merah (red shift) atau ke panjang gelombang lebih tinggi menunjukkan zat warna dari kulit buah manggis setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 memiliki energi eksitasi yang lebih rendah. Hal ini didasarkan pada persamaan E = h.C/λ, di mana semakin tinggi panjang gelombang maka energinya akan semakin rendah. Jika suatu molekul yang mempunyai gugus kromofor dikenai dengan radiasi elektromagnetik berupa sinar UV-Visibel maka akan menyebabkan terjadinya transisi elektron yang ada pada ikatan molekul. Perbedaan tingkat energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi adalah
85
tertentu untuk setiap senyawa sehingga frekuensi atau panjang gelombang yang diserap juga memiliki nilai tertentu. Pergeseran serapan elektronik zat warna ekstrak manggis ke arah panjang gelombang yang lebih tinggi mengindikasikan adanya perubahan energi yang diserap untuk terjadinya transisi elektron, di mana energi yang dibutuhkan untuk mengalami transisi elektronik menjadi lebih rendah. Menurut Spitler et al. (2002) struktur ikatan penghubung antara zat warna dengan padatan dapat mempengaruhi spektra lapisan zat warna pada permukaan padatan. Pergeseran serapan elektronik zat warna ekstrak kulit buah manggis ke panjang gelombang lebih tinggi (memiliki energi eksitasi yang lebih rendah) dapat disebabkan karena adanya perubahan struktur molekul zat warna setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2. Perubahan struktur molekul tersebut kemungkinan besar sebagai akibat dari terbentuknya ikatan antara zat warna dengan TiO2. Zat
warna
utama
yang
terdapat
dalam
kulit
buah
manggis
adalah
cyanidin-3-sophoroside, dan dalam jumlah kecil adalah cyanidin-3-glucoside (Du dan Francis, 1977 dalam Ratanomarno et al., 2005). Kedua senyawa tersebut merupakan golongan flavonoid yang memiliki banyak gugus hidroksi. Ikatan kimia antara zat warna dengan TiO2 kemungkinan terjadi antara gugus hidroksi cyanidin yang ada dalam ekstrak kulit manggis dengan ion Ti (IV). Menurut Polo et al. (2003), adsorpsi kimia antosianin pada TiO2 bisa terjadi sebagai akibat dari proses kondensasi antara proton alkoholik dengan OH yang terdapat pada permukaan TiO2 (Gambar V.15a). Selain itu proses terbentuknya ikatan juga bisa dianggap sebagai kelasi zat warna pada ion Ti (IV) (Gambar V.15b).
86
Gambar V.15 Kemungkinan ikatan antara antosianin dengan ion Ti(IV) (Polo et al., 2003)
Mekanisme reaksi pembentukan ikatan antara zat warna alami yang memiliki gugus hidroksi dengan TiO2 menurut Dai dan Rabani (2001) adalah sebagai berikut: OH
+
O HO
(IV) Ti
OH
+ H+ + H2O
(5.1)
+ H2O
(5.2)
O
OH
+
(IV)Ti
O HO
(IV) Ti
Ti(IV)
Zat warna yang terdapat dalam kulit buah manggis merupakan golongan flavonoid yang mengandung banyak gugus hidroksi, sehingga kemungkinan besar gugus tersebut yang digunakan dalam pembentukan ikatan antara zat warna dengan TiO2. Gugus hidroksi (-OH) merupakan suatu gugus auksokrom, di mana gugus auksokrom adalah suatu gugus yang apabila terikat pada suatu kromofor akan menyebabkan perubahan intensitas dan pergeseran serapan elektronik. Menurut Hedbor dan Klar (2005) adanya gugus hidroksi pada cincin utama antosianin menyebabkan energi eksitasi menjadi lebih tinggi (serapan bergeser ke arah UV) bila dibandingkan tanpa adanya gugus hidroksi. Penghilangan gugus
87
hidroksi pada struktur antosianin dapat mengembalikan serapan elektronik bergeser ke arah visibel sehingga energi eksitasinya juga akan menjadi lebih rendah. Dalam proses terbentuknya ikatan antara TiO2 dengan zat warna ekstrak kulit buah manggis kemungkinan melibatkan gugus hidroksi pada antosianin, sehingga terjadi pergeseran merah pada pola serapan elektronik sistem TiO2-zat warna. Menurut Smestad et al. (1998) zat warna yang dapat digunakan sebagai sensitiser adalah zat warna yang dapat teradsorp dan memiliki gugus fungsional yang dapat berikatan secara kimia dengan permukaan TiO2. Sensitisasi terjadi jika terdapat pergeseran merah pada pola serapan elektronik sistem TiO2-zat warna di daerah cahaya tampak (Garcia et al., 2003). Dengan bergesernya serapan elektronik zat warna ekstrak kulit manggis ke arah merah, maka zat warna tersebut memiliki potensi untuk digunakan sebagai sensitiser dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna, dengan asumsi pergeseran serapan elektronik ke arah merah disebabkan karena terbentuknya ikatan antara TiO2-zat warna , bukan karena pengaruh media/pelarut ataupun karena faktor lain. Dengan terbentuknya ikatan antara TiO2-zat warna maka proses injeksi elektron dari keadaan tereksitasi zat warna menuju pita konduksi TiO2 akan efektif. Untuk membuktikan secara kuantitatif efek sensitisasi TiO2 oleh zat warna ekstrak kulit manggis maka perlu dilakukan pengukuran arus pada sistem sel surya.
88
V.4 Karakterisasi sel surya TiO2 dengan menggunakan ekstrak kulit manggis sebagai sensitiser
Elektroda kerja dalam sistem sel surya berbasis sensitiser zat warna merupakan lapisan TiO2 yang mengadsorp molekul zat warna yang dilapiskan diatas substrat kaca berkonduksi. Dalam penelitian ini kaca yang digunakan adalah kaca FTO (fluorine- doped tin oxide) yang merupakan salah satu jenis kaca konduktif yang memiliki nilai hambatan (R) berkisar antara 25 – 27 Ω cm-2. Elektroda kerja dibuat dengan melapiskan TiO2 pada substrat kaca FTO dengan proses pelapisan sebanyak 5x dan proses adsorpsi zat warna ekstrak kulit manggis dilakukan pada kondisi optimum yaitu dengan menggunakan konsentrasi ekstrak sebesar 15 % (v/v) dan waktu interaksi selama 120 menit. Konstruksi sel surya dibuat dengan sistem sandwich dengan urutan elektroda lawan - elektrolit pada media kertas saring - elektroda kerja, dengan luas aktif sel surya 0,5 x 0,5 cm2. Penentuan kinerja sel surya dilakukan melalui pengukuran arus dengan memberikan variasi tegangan. Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui kinerja sel surya. Pengukuran dilakukan pada kondisi gelap (tanpa cahaya) dan pada kondisi terang (dengan cahaya). Dalam penelitian ini sumber cahaya yang digunakan adalah lampu wolfram merk Chiyoda yang memiliki intensitas 25,6 mW/cm2 (Chasanah, 2006). Kurva I-V dari sel surya disajikan pada Gambar V.16.
89
Gambar V.16 Kurva arus listrik versus tegangan, (a) kondisi gelap, (b) kondisi terang
Efek sensitisasi TiO2 oleh zat warna ekstrak kulit manggis terlihat dengan dihasilkannya arus listrik pada kondisi terang yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan arus listrik yang dihasilkan pada kondisi gelap. Pada kondisi terang sel surya tersensitisasi zat warna ekstrak kulit manggis mampu menghasilkan arus listrik (Isc) sebesar 0,88 µA sedangkan pada kondisi gelap menghasilkan arus (Isc) yang sangat kecil yaitu sebesar 0,02 µA. Dari data tersebut terlihat bahwa pada kondisi terang sel surya tersensitisasi zat warna ekstrak kulit manggis mampu menghasilkan arus listrik yang cukup signifikan yaitu sebesar 44x arus listrik yang dihasilkan pada kondisi gelap. Sel surya berbasis sensitiser zat warna akan efektif dalam menghasilkan arus listrik jika terdapat radiasi cahaya tampak yang energinya sesuai untuk menginisiasi terjadinya injeksi elektron melalui
90
proses transisi elektron dari keadaan dasar menuju keadaan tereksitasi zat warna. Jika arus yang dihasilkan dalam penelitian ini bukan merupakan efek sensitisasi dari zat warna maka tidak akan dihasilkan perbedaan arus yang signifikan antara kondisi gelap dan kondisi terang. Sel surya dapat menghasilkan arus listrik karena di dalam sistem sel surya terjadi aliran elektron secara terus menerus. Elektron dalam sistem sel surya mengalir dari elektroda kerja (kutub negatif) menuju ke elektroda lawan (kutub positif) melalui sirkuit eksternal. Arah arus listrik berlawanan dengan arah aliran elektron sehingga arus listrik yang dihasilkan mengalir dari elektroda lawan menuju ke elektroda kerja melalui sirkuit eksternal. Terjadinya aliran elektron dalam sistem sel surya diinisiasi oleh proses transisi elektron zat warna dari keadaan dasar menuju ke keadaan tereksitasi sebagai akibat adanya radiasi cahaya tampak yang energinya sesuai. Elektron dalam keadaan tereksitasi tidak stabil sehingga akan diinjeksikan ke pita konduksi dari semikonduktor. Secara energitika, proses injeksi elektron zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 akan terjadi jika terbentuk interaksi atau ikatan antara zat warna dengan TiO2. Jika tidak terjadi ikatan atau interaksi antara zat warna dengan TiO2 maka proses injeksi elektron tidak efektif terjadi sehingga akan diperoleh sistem sel surya yang mati atau tidak menghasilkan arus listrik. Adanya arus listrik yang cukup signifikan yang dihasilkan oleh sistem sel surya menunjukkan terjadinya proses injeksi elektron dari keadaan tereksitasi zat warna ekstrak kulit manggis menuju ke pita konduksi TiO2 yang efektif dengan terbentuknya ikatan TiO2-zat warna.
91
Parameter sel surya yang didapatkan dari kurva I vs V disajikan dalam Tabel V.5. Tabel V.5 Karakteristik sel surya tersensitisasi ekstrak kulit manggis Isc Jsc Voc FF η (µA) (mA/cm2)x10-3 ( mV)
0,88
3,52
150
37,5 %
7,73.10-4 %
Dari tabel terlihat bahwa sel surya dalam penelitian ini memiliki harga kerapatan arus listrik (Jsc) relatif kecil yaitu masih berada pada kisaran µA. Selain itu efisiensi yang dihasilkan juga sangat kecil yaitu sebesar 7,73.10-4 %, yang berarti nilainya masih sangat jauh dari 1 %. Heriyanti (2006) telah melakukan kajian terhadap beberapa zat warna alami sebagai sensitiser sel surya. Beberapa zat warna alami yang dikaji diantaranya ekstrak buah duwet (Eugenia jambolana Lam), trembilu (Phylanthus reticulatus Poir) dan joho (Terminalia bellirica (gaertn)roxb) serta kayu tingi (Ceriops tagal) dan tegeran (Maclura cochinensis). Sistem sel surya tersebut dibuat dengan sistem sandwich dengan menggunakan teknik pelapisan lapis tipis slip casting. Sel surya yang dibuat dengan beberapa zat warna alami tersebut juga memiliki nilai Jsc dan efisiensi sangat kecil. Perbandingan nilai Jsc dan efisiensi sel surya yang dibuat dengan sensitiser zat warna alami disajikan dalam Gambar V.17. Dari Gambar V.17 terlihat bahwa sel surya yang dihasilkan dalam penelitian ini memiliki nilai Jsc dan efisiensi yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan sel surya yang dibuat dari beberapa zat warna alami yang diteliti oleh Heriyanti (2006). Meskipun demikian kisaran arus yang dihasilkan masih sangat
92
kecil yaitu berada pada kisaran µA dan nilai efisiensi yang dihasilkan masih kurang dari 1 %.
Gambar V.17 Perbandingan nilai Jsc dan efisiensi sel surya (η) yang dibuat dengan sensitiser zat warna alami, (a) dilakukan oleh Heriyanti (2006), (b) sel surya dengan sensitiser ekstrak kulit manggis
Kecilnya efisiensi dan arus yang terdeteksi dalam penelitian ini dapat diakibatkan oleh beberapa faktor diantaranya konstruksi sel surya yang belum sempurna, terjadi kompetisi antara proses injeksi elektron dan rekombinasi serta alat ukur kinerja sel surya yang belum memenuhi standar. Konstruksi sel surya yang belum sempurna dapat menjadi faktor penyebab kecilnya arus yang terukur. Dalam penelitian ini belum ditemukan teknik deposisi elektrolit yang tepat supaya elektrolit dapat menyebar merata pada dua bidang elektroda sehingga digunakan kertas saring sebagai media elektrolit, ada kemungkinan penggunaan kertas saring dapat mengganggu proses transfer muatan antar kedua elektroda. Selain itu sistem sandwich sel surya hanya dilekatkan dengan menggunakan penjepit kertas sehingga ada kemungkinan terjadi penguapan elektrolit selama pengukuran berlangsung. Kontak elektrik sel surya yang kurang baik serta jarak antara kontak elektrik dengan daerah aktif sel surya dapat berpengaruh pada arus listrik yang terukur. Dalam penelitian ini kontak elektrik dengan sel surya dilakukan dengan menggunakan penjepit buaya
93
sehingga
ada kemungkinan kontak yang dihasilkan
kurang sempurna.
(Hagfeldt et al., 1994) menggunakan silver paint dan adhesive copper tape untuk melakukan kontak elektrik dengan sel surya. Selain itu jarak antara kontak elektrik dengan daerah aktif sel surya yang terlalu jauh dapat mengurangi arus listrik yang terukur. Kay dan Grätzel (1996) menyarankan jarak antara daerah aktif sel surya dengan kontak elektrik tidak lebih dari 1 cm untuk memperkecil kehilangan arus karena hambatan dari kaca berkonduksi. Hambatan dalam dari sel surya juga dapat berpengaruh terhadap arus listrik yang terukur, semakin besar hambatan dalam maka arus yang terukur akan semakin kecil karena kehilangan arus sebagai akibat adanya hambatan dalam yang semakin besar. Untuk memperkecil hambatan dalam sel surya sebaiknya digunakan material yang memiliki hambatan relatif kecil sehingga memiliki daya hantar yang relatif besar terutama kaca berkonduksi, pelarut elektrolit dan lapisan katalis. Selain faktor konstruksi sel surya, terjadinya rekombinasi juga dapat berpengaruh pada kinerja sel surya. Kompetisi antara proses injeksi elektron dengan proses rekombinasi yang tidak diharapkan dapat menurunkan kinerja sel surya. Selain itu terjadinya degradasi, desorpsi dan agregasi zat warna selama pengukuran yang dapat diakibatkan oleh adanya UV, H2O, O2 maupun perubahan temperatur juga dapat menurunkan kinerja sel surya. Faktor alat ukur juga dapat berpengaruh pada karakteristik kurva I vs V yang dihasilkan. Kinerja sel surya (efisiensi dan karakteristik kurva I vs V) sangat bergantung pada distribusi spektrum (Wm-2µm-1) dan intensitas radiasi (Wm-2) dari sumber radiasi yang digunakan. Untuk mendapatkan hasil yang komparabel
94
dan memiliki tingkat perulangan yang tinggi, pengukuran kinerja sel surya biasanya dilakukan dengan menggunakan solar simulator standar dengan sumber radiasi yang dibuat mirip dengan spektrum sinar matahari. Pada kondisi standar, pengujian sel surya dilakukan menggunakan sumber radiasi dengan intensitas 100 mW/cm2 dan memiliki distribusi spektrum sesuai dengan spektrum cahaya matahari standar AM 1,5 dan pengukuran dilakukan pada suhu sel surya 25 oC. Dalam penelitian ini pengukuran kinerja sel surya dilakukan dengan menggunakan alat yang masih sederhana dengan pengatur sumber tegangan yang masih kurang stabil dan dengan sumber radiasi yang belum diketahui distribusi spektrum cahayanya. Dalam penelitian ini sumber radiasi yang digunakan adalah lampu wolfram merk chiyoda dengan daya maksimum 40 watt yang dilengkapi dengan reflektor dan memiliki intensitas 25,6 mW/cm2 pada jarak 10 cm. Sedangkan sumber tegangan yang digunakan masih menggunakan sistem pengaturan tegangan secara manual. Meskipun kinerja sel surya ditentukan dengan alat ukur yang masih sederhana, alat tersebut sudah dapat digunakan untuk membuktikan terjadinya efek sensitisasi dalam sistem sel surya. Hanya saja untuk mendapatkan tingkat komparabilitas yang lebih baik diperlukan pengukuran menggunakan solar simulator standar.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
VI.1 Kesimpulan
1. Lapis tipis TiO2 hasil pelapisan menggunakan teknik spray mempunyai karakteristik tersusun atas komposisi fasa kristalin TiO2 ~ 84 % anatase dan ~16 % rutile, mempunyai porositas dan kekuatan mekanis cukup baik sehingga dapat digunakan sebagai substrat zat warna pada sistem sel surya TiO2 tersensitisasi zat warna. 2. Kondisi optimum proses adsorpsi ekstrak kulit manggis pada lapis tipis TiO2 diperoleh pada lapis tipis hasil pelapisan 5x dengan luas area 25,4 x 76,2 mm2, waktu adsorpsi 120 menit dengan konsentrasi awal zat warna 15 % (v/v). 3. Terjadi sensitisasi TiO2 oleh zat warna ekstrak kulit manggis melalui pembentukan ikatan TiO2-zat warna yang ditandai dengan adanya pergeseran merah yang cukup lebar pada spektra elektronik TiO2-zat warna di daerah cahaya tampak dan dihasilkannya arus listrik pada sistem sel surya. 4. Dalam penelitian ini sel surya dengan menggunakan ekstrak kulit manggis sebagai sensitiser memiliki nilai Jsc sebesar 3,52 µA/cm2, Voc sebesar 0,15 V, Fill Factor (FF) sebesar 37,5 % dan efisiensi (η) sebesar 7,73.10-4 %.
95
96
VI.2 Saran
Perlu dilakukan kajian lebih lanjut tentang stabilitas sel surya berbasis sensitiser zat warna alami serta faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja sel surya seperti larutan elektrolit, pelarut dalam proses ekstraksi zat warna alami, serta jenis dan ketebalan katalis. Diperlukan perbaikan dalam konstruksi sel surya dan teknik deposisi elektrolit sehingga elektrolit tidak mudah menguap dan dapat tersebar merata pada dua bidang elektroda. Perlu dilakukan pengukuran kinerja sel surya dengan menggunakan alat solar simulator standar sehingga didapatkan data dengan tingkat komparabilitas dan reprodusibilitas yang tinggi.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2003, Energi Hijau Tak Bisa Ditunda Lagi, Media Indonesia, http:// www.energi.lipi.go.id, diakses pada 2 Juni 2006. Anonim, 1994, dalam Eko Sasmito Hadi, Studi Implementasi Pemanfaatan Energi Surya Sebagai Sumber Energi Alternatif Penggerak Kapal, www.kapal.ft.undip.ac.id, diakses pada 5 Juni 2006. Anonim, Dye Sensitized Solar Cell, http://everything2.com, diakses pada 15 Juni 2006. Acta, V.O., 2004, Identifikasi Senyawa Dalam Ekstrak Petroleum Eter Kulit Buah Manggis (Garcinia Mangostana L.) Kering Dengan Kromatografi GasSpektrometer Massa (GC MS), Skripsi, FMIPA UGM, Jogjakarta. Brammer, T., 2004, Nanostructured Titania Dye Sensitized Solar Cells: Study of the Effects of Variations in the TiO2 Film Thickness and Dyeing Times, Undergraduate Thesis, The University of Queensland, Australia. Cao, F., Oskam, G., dan Searson, J., 1995, A Solid State, Dye Sensitized Photoelectrochemical Cell, J. Phys. Chem., 99, 17071-3. Chasanah, B., 2006, Studi Pengaruh jarak Elektroda Terhadap Karakteristik Arus - Tegangan Pada Lapis Tipis Turunan Perylene, Skripsi, FMIPA UGM, Jogjakarta. Cherepy, N. J., Smestad, G.P., Grätzel, M., dan Zhang, J.Z.,1997, Ultrafast electron injection: Implications for a photoelectrochemical cell utilizing an anthocyanin dye- sensitized TiO2 nanocrystalline electrode, J. Phys. Chem. B 101: 9342-9351. Chmiel, G., Gehring, J., Uhlendorf, I., 1998, Dye sensitized solar cells (DSSC): Progress towards application, 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 6-10 July Vienna Austria Citra, S., Taufiq, Wawan, Yanti, Yayu, 2005, Zat Warna Alam untuk Bahan Tekstil dari Ekstrak Kulit Buah Manggis, http://www.angelfire.com/on4/mangdodo/papers/manggis.doc, diakses pada 30 Januari 2006. Cotton, F.A., Wilkinson, G., Murillo, C.A., dan Bochmann, M., 1990, Advanced Inorganic Chemistry, 6th edition, John Wiley and Sons Inc., Van Couver.
97
98
Dai, Q., dan Rabani, J., 2001, Photosensitization of NanocrystallineTiO2 Films by Pomegranate Pigments with Unusually High Efficiency in Aqueous Medium, Chem. Commun., 1, 2142-2143. Du, C.T., dan Francis, F.J., 1977, Anthocyanins of mangosteen, Garcinia mangostana L., J. Food Sci., 42, 1667. Garcia, C.G., Polo, Andre S., dan Murakami Iha, N.Y., 2003, Photoelectrochemical Solar Cell Using Extract of Eugenia Jambolana Lam as A Natural Sensitizer, An. Acad. Bras. Cienc., 75, 163-165. Garcia, C.G., Polo, A.S., dan Murakami Iha, N.Y., 2003, Fruit Extracts and Ruthenium polypyridinic Dyes for Sensitization of TiO2 in Photoelectrochemical Solar Cells, J. Photochem. Photobiol. A: Chem.160, 87-91. Grätzel M., 1994, Highly Efficient Nanocrystalline Photovoltaic Devices, Platinum Metals Rev., 38, 4, 151-159 Green, M. A., Emery, K., King, D.L., Hisikawa, Y., Warta, W., 2006, Solar Cell Efficiency Tables (Version 27), Prog. Photovolt. Res. Appl., 14, 45-51. Hagfeldt A., Didriksson, B., Palmqvist, T., Lindstrom, H., Odergren, S.S., Rensmo, H., Lindquist, S.E., 1994, Verification of high efficiencies for the Gratzel-cell. A 7% efficient solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 31, 481-488 Halme, J., 2002, Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary tests, Master’s thesis, Department of Engineering Physics and Mathematics, Helsinki University of Technology, Espoo. Hariyadi, 1998, Sel Surya Menggunakan Bahan Organik, Elektro Indonesia, edisi 12, http://www.elektroindonesia.com/elektro/elektro.html, diakses pada 4 Oktober 2005. Heriyanti, S., 2006, Kajian Sensitisasi Lapis Tipis TiO2 oleh Zat Warna Alami untuk Sel Surya Berbasis Sensitiser Zat Warna, Skripsi, FMIPA UGM, Jogjakarta. Hoffmann, M.R., Martin, S.M., Choi, W., dan D.W. Bahnemann, 1995, Environmental application of semiconductor photocatalysis, Chem. Rev., 95, 69-96. Ito, S., Kitamura, T., Wada, Y., dan Yanagida, S., 2003, Facile Fabrication of Mesoporous TiO2 Electrodes for Dye Solar Cells: Chemical Modification and Repetitive Coating, Sol. Energy Mater. Sol. Cells,76, 3-13.
99
Kalyanasundaram, K. dan Grätzel, M., 1998, Applications of Functionalized Transition Metal Complexes in Photonic and Optoelectronic Devices, Coord. Chem. Rev., 77, 347-414. Kartini, I., 2004, Synthesis and Characterization of Mesostructured Titania for Photoelectrochemical Solar Cells, PhD Thesis, Chemical Engineering, The University of Queensland, Australia. Kartini, I., Wiedyaningsih, Ch., Aprilita, N.H., 2005, Produksi Self Cleaning Kaca: Kombinasi Efek Fotokatalis dan Super-Hidrofilisitas Lapis Tipis Oksida Titania, Proposal Penelitian Antar Bidang Ilmu, UGM, Jogjakarta. Kay, A., dan Grätzel, M., 1993, Artificial photosynthesis 1. Photosensitization of Titania Solar Cells with Chlorophyll Derivatives and Related Natural Porphyrins, J. Phys. Chem., 97, 6272-6277. Kay, A., dan Grätzel, M., 1996, Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder, Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 44, 99-117. Klug, H.P., 1974, X-Ray Diffraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials, edisi ke-2, John Wiley&Sons, New York, hal. 689. Krüger, J., Plass, R., Cvevy, L., Piccirelli., Grätzel, M., Bach, U., 2002, Recent developments in sensitized mesoporous heterojunction solar cells, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 708, 1-11. Kubo, W., Muakoshi, K., Kitamura, T., 1998, Fabrication of Quasi-solid-state Dye-sensitized TiO2 Solar Cells Using Low Molecular Weight Gelators, Chem. Lett., 1241-2 Kubo, W., Muakoshi, K., Kitamura, T., 2001, Quasi-Solid-State Dye-Sensitized TiO2 Solar Cells: Effective Charge Transport in Mesoporous Space Filled with Gel Electrolytes Containing Iodide and Iodine, J. Phys. Chem. B, 105, 51, 12809-12815. Kumar, P., Badrinarayanan dan Sastry, M., 2000, Nanocrystalline TiO2 Studied by Optical, FTIR and X-Ray Photoelectron Spectroscopy: Correlation to Presence of Surface States, Thin Solid Films, 358, 122-130. Linsebigler, A.L., Lu, G. Dan Yates, J.T., 1995, Photocatalysis on TiO2 Surface: Principles, Mechanism and Selected Results, Chem. Rev., 95, 735-758. Lynam, M.M., Kliduf, J.E., dan Weber Jr., W.J., 1995, Adsorption of Nitrophenol from Dilute Aqueous Solution, J. Chem. Educ., 72, 80-84.
100
Mikoshiba, S., Sumino, H., Yonetsu, M., Hayase, S., 2000, Highly efficient photoelectrochemical cell with novel polymer gel electrolytes, 16th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow UK. Nazeeruddin, M.K., Kay, A., Rodicio, I., Humphry-Baker, R., Muller, E., Liska, P., Vlachopoulos, N., dan Gratzel, M., 1993 , Conversion of Light to Electricity by cis-X2Bis(2,2'-bipyridyl-4,4'- dicarboxylate)ruthenium(II) Charge-Transfer Sensitizers (X = Cl-, Br-, I-, CN- and SCN-) on Nanocrystalline TiO2 Electrodes J. Am. Chem. Soc., 115, 6382. Nyquist, R.A., 1997, Infrared and Raman Spectral Atlas of Inorganic Compounds and Organic Salts, vol. 3, Academic Press, London. O’Regan, B. dan Grätzel, M., 1991, A Low Cost, High Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films, Nature, 353, 737-739. Oscik, J., 1982, Adsorption, Ellis Horwood Limited, England. Polo, A.S., dan Murakami Iha, N.Y., 2003, Clean and Renewable Energy From Dye-sensitized Solar Cell Using Fruits Extracts, World Climate and Energy Event, Rio de Janeiro. Ratanamarno, S., Uthaibutra, J. and Saengnil, K., 1999, Towards some quality attributes of mangosteen (Garcinia mangostana L.) fruit during maturation. J. Sci. Technol., 21, 9-15. Ratanamarno, S., Uthaibutra, J., dan Saengnil, K., 2005, Effects of Bagging and Storage Temperature on Anthocyanin Content and Phenylalanine Ammonialyase (PAL) Activity in Mangosteen (Garcinia mangostana L.) Fruit Pericarp During Maturation, J. Sci. Technol., 27, 711-717. Robinson, T., 1995, Kandungan Organik Tumbuhan Tinggi, (diterjemahkan oleh Padmawinata, K.), Edisi VI, ITB, Bandung. Sayama, K., Tsukagoshi, S., Mori, T., Hara, K., Ohga, Y., Shinpou, A., Abe, Y., Suga, S., dan Arakawa, H., 2003, Efficient Sensitization of Nanocrystalline TiO2 Films with Cyanine and Merocyanine Organic Dyes, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 80, 47-71. Sirimanne, P.M., Senevirathna, M.K.I., Premalal, E.V.A., Pitigala, P.K.D.D.P., Sivakumar, V., Tennakone, K., 2006, Utilization of Natural Pigment Extracted from Pomegranate Fruits as Sensitizer in Solid-State Solar Cells, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 177, 324-327. Smestad, G.P., 1998, Education and solar conversion : Demonstrating electron transfer, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 55, 157-178.
101
Smestad, G.P., dan Grätzel, M., 1998, Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology : A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter, J. Chem. Educ., 75, 752-756. Spitler, Mark, T., Ehret, Anne, Stuhl, Louis, S., 2002, Spectral Sensitization of Nanocrystalline Solar Cells, United States Patent 6, 359, 211. Tennakone, K., Kumarasinghe, A.R., Kumara, G.R.R.A., Wijayantha, K.G.U., Sirimanne, P.M., 1997, Nanoporous TiO2 Photoanode Sensitized with the Flower Pigment Cyanidin, J. Photochem. Photobiol., 108, 193-195. Wienke, J., Kroon, J.M., Sommeling, P.M., Kinderman, R., 1997, Effect of TiO2Electrode Properties on the Efficiency of Nanocrystalline Dye Sensitized Solar Cells (nc-DSSC), www.ecn.nl/docs/library/report/1997/rx97033.pdf, diakses pada 27 September 2006. Wijaya, L.S., Widjanarko, S.B., Susanto, T., 2001, Extraction and Characterization Pigment for Skin Fruit Rambutan (Nephelium lappaceum) var. Binjai, Biosain, 1, 42-53. Wolfbauer, G., Bond, A., Eklund, J.C., Macfarlane, D., 2001, A channel flow cell system specifically designed to test the efficiency of redox shuttles in dye sensitized solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 70, 85-101 Yao, Q.H., Meng, F.S., Li, F.Y., Tian, H., Huang, C.H., 2003, Photoelectric Conversion Properties of Four Novel Carboxylated Hemicyanine Dyes on TiO2 Electrode, J. Mater. Chem., 13, 1048-1053. Yufita, D., 2006, Pembuatan Kaca Self-cleaning Berbasis Lapis Tipis TiO2 untuk Fotodegradasi Asam Palmitat, Skripsi, FMIPA UGM, Jogjakarta. Yuliarto, B., 2006, Teknologi Sel Surya untuk Energi Masa Depan, http://www.beritaiptek.com, diakses pada 11 September 2006.
102
Lampiran 1. Hasil analisis serbuk dan lapis tipis TiO2 dengan metode difraksi sinar X
No. Peak 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tabel 1.1 Data analisis difraksi sinar X serbuk TiO2 P25 (Degussa) 2 Theta d (A) I/I1 FWHM Intensity Integrated (deg) (deg) (Counts) Int (Counts) 22,8332 3,89156 21 0,39350 226 5251 24,6800 3,60438 7 0,26000 73 2086 25,3315 3,51313 100 0,39930 1059 23360 26,0400 3,41913 4 0,23000 38 1266 27,4623 3,24520 15 0,31880 156 2909 34,0375 2,63184 4 0,35500 44 1267 36,1216 2,48463 7 0,28330 69 1230 36,8000 2,44037 3 0,30860 34 474 37,0200 2,42637 6 0,39200 59 1032 37,8833 2,37304 17 0,48670 183 4146 38,5000 2,33643 6 0,73720 61 2668 41,2794 2,18531 4 0,28690 41 816 43,1675 2,09400 6 0,40500 60 1617 47,6200 1,90808 3 0,20000 37 654 48,1061 1,88992 27 0,51490 282 7030 48,7600 1,86610 5 0,28000 54 928 49,3216 1,84616 3 0,46330 36 1050 53,9400 1,69848 16 0,38000 168 3532 54,3800 1,68577 13 0,29100 136 2427 55,1076 1,66522 16 0,39810 166 3396
Tabel 1.2 Data penentuan ukuran kristal serbuk TiO2 P25 (Degussa) Fasa 2θ cos θ B (rad) λ (nm) k D (nm) Anatase 25,3315 0,975665788 0,0069691 0,15406 0,9 20,39176 Rutile 27,4623 0,971420214 0,00556411 0,15406 0,9 25,65249 Tabel 1.3 Data penentuan komposisi fasa anatase dan rutile serbuk TiO2 P25 XR Integrated intensity Integrated intensity anatase (IA) rutile (IR) K XA (1-XA) 23360 2909 0,68 0,845 0,155
103
Tabel 1.4 Data analisis difraksi sinar X serbuk TiO2 setelah perlakuan asam No. 2 Theta d (A) I/I1 FWHM Intensity Integrated Peak (deg) (deg) (Counts) Int (Counts) 1 22,8641 3,88637 23 0,39590 216 5318 2 24,8200 3,58436 11 0,30000 104 2614 3 25,3522 3,51031 100 0,41170 935 21170 4 27,4835 3,24274 16 0,31040 147 2692 5 34,1273 2,62512 5 0,39870 43 1163 6 36,1488 2,48282 7 0,27370 67 1016 7 37,0560 2,42410 6 0,48800 52 1442 8 37,8851 2,37293 20 0,39780 183 3686 9 38,5400 2,33410 7 0,58000 67 2323 10 41,2760 2,18548 4 0,31200 33 663 11 43,1833 2,09327 7 0,36670 67 1630 12 47,5800 1,90959 3 0,20000 28 513 13 48,1257 1,88920 29 0,45620 274 6597 14 48,7800 1,86538 5 0,24660 47 866 15 49,2200 1,84973 4 0,16000 34 256 16 49,4600 1,84131 4 0,34660 36 584 17 53,9800 1,69731 17 0,45600 159 3603 18 54,3600 1,68634 14 0,44800 134 2821 19 55,1275 1,66467 16 0,45500 146 3722 20 56,1246 1,63743 3 0,34270 29 1029 21 62,2600 1,49000 5 0,42400 47 1482 22 62,7675 1,47916 16 0,38500 153 3298 23 66,8900 1,39766 3 0,26000 30 649 24 68,9726 1,36045 7 0,44130 69 1907 25 70,0200 1,34264 3 0,28000 32 505
Tabel 1.5 Data penentuan ukuran kristal serbuk TiO2 setelah perlakuan asam Fasa 2θ cos θ B (rad) λ (nm) k D (nm) Anatase 25,3522 0,975626164 0,00718552 0,15406 0,9 19,77838 Rutile 27,4835 0,971376284 0,0054175 0,15406 0,9 26,34789 Tabel 1.6 Data penentuan komposisi fasa anatase dan rutile serbuk TiO2 setelah perlakuan asam XR Integrated intensity Integrated intensity anatase (IA) rutile (IR) K XA (1-XA) 21170 2692 0,68 0,842 0,158
104
No, Peak 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Tabel 1.7 Data analisis difraksi sinar X lapis tipis TiO2 2 Theta d (A) I/I1 FWHM Intensity Integrated (deg) (deg) (Counts) Int (Counts) 22,8800 3,88370 3 0,0000 2 0 23,4633 3,78846 27 0,44670 21 563 24,3400 3,65395 8 0,12000 6 68 24,8550 3,57515 8 0,13000 6 64 25,4600 3,49569 15 0,24000 12 203 25,9325 3,43306 100 0,40500 79 1722 26,7533 3,32957 9 0,29330 7 179 27,3200 3,26177 8 0,20000 6 88 28,0500 3,17852 15 0,30000 12 230 28,4700 3,13258 5 0,06000 4 28 29,5500 3,02050 5 0,14000 4 51 30,0800 2,96848 3 0,08000 2 13 30,5350 2,92527 4 0,03000 3 13 31,0350 2,87927 4 0,03000 3 9 31,6850 2,82167 4 0,09000 3 19 32,3150 2,76809 3 0,05000 2 5 33,1100 2,70342 5 0,10000 4 34 33,6400 2,66203 6 0,16000 5 72 33,9950 2,63504 6 0,05000 5 26 34,1200 2,62567 6 0,04000 5 19 34,4200 2,60347 6 0,2000 5 87 34,9200 2,56733 3 0,12000 2 16 35,7700 2,50824 5 0,18000 4 41 36,8000 2,44037 9 0,24000 7 113 37,3400 2,40631 6 0,20000 5 69
Tabel 1.8 Data penentuan ukuran kristal lapis tipis TiO2 Fasa 2θ cos θ B (rad) λ (nm) k Anatase 25,9325 0,974502402 0,007068583 0,15406 0,9 Rutile 28,0500 0,970190075 0,005235988 0,15406 0,9
D (nm) 20,13 27,29
Tabel 1.9 Data penentuan komposisi fasa anatase dan rutile lapis tipis TiO2 XR Integrated intensity Integrated intensity anatase (IA) rutile (IR) K XA (1-XA) 1722 230 0,68 0,836 0,164
105
Gambar 1.1 Difraktogram sinar X serbuk dan lapis tipis TiO2
106
Lampiran 2. JCPDS dari TiO2 anatase dan rutile
Tabel 2.1 Database JCPDS dari TiO2 anatase (21-1272) d(Å)
Int.
h
k
l
d(Å)
Int.
h
k
l
3,52 2,431 2,376 2,332 1,892 1,6999 1,6665 1,493 1,4808 1,3641 1,3378 1,2795 1,2649 1,2509 1,1894 1,1725 1,1664 1,1608
100 10 20 10 35 20 20 4 14 6 6 <2 10 4 <2 2 6 4
1 1 0 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 3 0 3 2 3
0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 0 0 0 2 1
1 3 4 2 0 5 1 3 4 6 0 7 5 1 8 3 4 2
1,0182 1,007 0,9967 0,9555 0,9464 0,9246 0,9192 0,9138 0,8966 0,889 0,8819 0,8793 0,8464 0,8308 0,8268 0,8102 0,7974 0,7928
2 2 2 4 4 <2 2 2 4 2 <2 2 2 <2 4 2 4 2
1 2 3 3 4 3 3 4 2 2 4 4 4 3 4 3 4 0
0 0 2 1 0 0 2 1 1 2 1 0 2 2 1 0 2 0
9 8 3 6 0 7 5 1 9 8 3 4 0 7 5 9 4 12
1,06 1,0517 1,0436
2 4 4
2 3 3
1 0 2
7 5 1
107
Tabel 2.2 Database JCPDS dari TiO2 rutile (21-1276) d(Å) Int
h
k
l
d(Å) Int
3,247 2,487 2,297 2,188 2,054 1,6874 1,6237 1,4797 1,4528 1,4243 1,3598 1,3465 1,3041 1,2739 1,2441 1,2006 1,1702
100 50 8 25 10 60 20 10 10 2 20 12 2 1 4 2 6
1 1 2 1 2 2 2 0 3 2 3 1 3 [3 2 2 3
1 0 0 1 1 1 2 0 1 2 0 1 1 2 0 1 2
0 1 0 1 0 1 0 2 0 1 1 2 1 0] 2 2 1
1,1483 1,1143 1,0936 1,0827
4 2 8 4
4 4 2 3
0 1 2 3
0 0 2 0
1,0425 1,0364 1,0271 1,0167 0,9703 0,9644 0,9438 0,9072 0,9009 0,8892 0,8774 0,8738 0,8437 0,8292 0,8196 0,812 0,7877
6 6 4 <1 2 2 2 4 4 8 8 8 6 8 12 2 2
h
k 4 3 4 [3 4 1 1 4 5 2 4 3 4 3 5 4 5
l 1 1 2 3 2 0 1 0 1 1 3 3 2 0 2 4 3
1 2 0 1] 1 3 3 2 0 3 1 2 2 3 1 0 0
108
Lampiran 3. Hasil analisis serbuk dan lapis tipis TiO2 dengan FTIR Tabel 3.1 Data analisis FTIR serbuk TiO2 P25 (Degussa) No Peak 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Bilangan gelombang (1/cm) 459,0 1292,2 1627,8 2341,4 2360,7 2854,5 2923,9 3425,3 3676,1
Intensitas (%T) 6,348 66,308 61,531 54,741 53,634 47,325 44,833 35,956 39,698
Treshold : 80, Noise : 1
Tabel 3.2 Data analisis FTIR serbuk TiO2 P25 (Degussa) setelah perlakuan asam No Peak 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Bilangan gelombang (1/cm) 306,6 320,2 331,7 347,2 354,9 374,2 395,4 806,2 1382,9 1624,0 2264,3
Intensitas (%T) 24,409 8,785 8,221 6,261 4,101 6,153 5,965 6,671 10,610 15,068 10,606
Treshold : 80, Noise : 1
Tabel 3.3 Data analisis FTIR serbuk dari lapis tipis TiO2 No Peak 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Bilangan gelombang (1/cm) 462,9 482,2 1288,4 1384,8 1523,7 1542,9 1635,5 2345,3 2376,1 2927,7 3429,2
Treshold : 80, Noise : 1
Intensitas (%T) 6,287 5,544 69,557 65,660 65,719 64,447 59,340 52,700 52,026 42,361 32,034
109
Lampiran 4. Daftar berat lapis tipis TiO2 Tabel 4.1 Data berat lapis tipis pelapisan 1x No PELAPISAN 1 X Petri Kaca Kosong (gr) TiO2 + Kaca (gr) TiO2 (mg) 1 2,3494 2,3522 2,80 A 2 2,3169 2,3200 3,10 3 2,3793 2,3814 2,10 1 2,3628 2,3647 1,90 B 2 2,3287 2,3318 3,10 3 2,3059 2,3078 1,90 1 2,3580 2,3597 1,70 C 2 2,3520 2,3547 2,70 3 2,4576 2,4593 1,70 1 2,3990 2,4007 1,70 D 2 2,5196 2,5217 2,10 3 2,3136 2,3149 1,30 1 2,4323 2,4335 1,20 E 2 2,3876 2,3892 1,60 3 2,4825 2,4839 1,40 1 2,4429 2,4440 1,10 F 2 2,5327 2,5341 1,40 3 2,3445 2,3456 1,10 1 2,3903 2,3916 1,30 G 2 2,3073 2,3093 2,00 3 2,3515 2,3526 1,10 1 2,6078 2,6091 1,30 H 2 2,6412 2,6434 2,20 3 2,6686 2,6698 1,20 Berat rata-rata 1,79 Deviasi standar 0,62
110
Lampiran 4 (lanjutan) Tabel 4.2 Data berat lapis tipis 5x pelapisan, periode I No Petri
A
B
C
D
E
F
G
H
PELAPISAN 1 x
PELAPISAN 3x
Kosong (gr)
TiO2 + Kaca (gr)
TiO2 (mg)
TiO2 + Kaca (gr)
TiO2 (mg)
1
2,6650
2,6664
1,40
2,6671
2,10
2,6685
3,50
2
2,5688
2,5694
0,60
2,5713
2,50
2,5735
3
2,5898
2,5915
1,70
2,5930
3,20
1
2,6766
2,6780
1,40
2,6784
1,80
2
2,7018
2,7035
1,70
2,7050
3
2,7091
2,7094
0,30
1
2,7778
2,7791
2
2,5481
2,5497
3
2,6290
1
2,6045
PELAPISAN 4x
TiO2 + Kaca (gr) TiO2 (mg) TiO2 + Kaca (gr)
PELAPISAN 5x
TiO2 (mg)
TiO2 + Kaca (gr)
TiO2 (mg)
2,6704
5,40
2,6714
6,40
4,70
2,5747
5,90
2,5756
6,80
2,5933
3,50
2,5938
4,00
2,5953
5,50
2,6794
2,80
2,6822
5,60
2,6834
6,80
3,20
2,7057
3,90
2,7071
5,30
2,7088
7,00
2,7099
0,80
2,7122
3,10
2,7135
4,40
2,7163
7,20
1,30
2,7796
1,80
2,7822
4,40
2,7845
6,70
2,7865
8,70
1,60
2,5516
3,50
2,5525
4,40
2,5543
6,20
2,5571
9,00
2,6302
1,20
2,6314
2,40
2,6331
4,10
2,6354
6,40
2,6378
8,80
2,6052
0,70
2,6070
2,50
2,6081
3,60
2,6104
5,90
2,6135
9,00
2
2,6947
2,6958
1,10
2,6967
2,00
2,6985
3,80
2,7003
5,60
2,7032
8,50
3
2,6091
2,6098
0,70
2,6104
1,30
2,6124
3,30
2,6144
5,30
2,6172
8,10
1
2,5780
2,5791
1,10
2,5798
1,80
2,5820
4,00
2,5842
6,20
2,5869
8,90
2
2,6550
2,6560
1,00
2,6568
1,80
2,6587
3,70
2,6608
5,80
2,6633
8,30
3
2,7767
2,7773
0,60
2,7788
2,10
2,7798
3,10
2,7822
5,50
2,7846
7,90
1
2,7849
2,7860
1,10
2,7867
1,80
2,7891
4,20
2,7906
5,70
2,7941
9,20
2
2,6306
2,6306
0,00
2,6316
1,00
2,6332
2,60
2,6350
4,40
2,6369
6,30
3
2,6585
2,6593
0,80
2,6608
2,30
2,6628
4,30
2,6646
6,10
2,6668
8,30
1
2,6047
2,6057
1,00
2,6073
2,60
2,6082
3,50
2,6098
5,10
2,6109
6,20
2
2,5661
2,5674
1,30
2,5685
2,40
2,5696
3,50
2,5707
4,60
2,5721
6,00
3
2,5627
2,5632
0,50
2,5638
1,10
2,5658
3,10
2,5668
4,10
2,5679
5,20
1
2,6318
2,6327
0,90
2,6333
1,50
2,6341
2,30
2,6353
3,50
2,6362
4,40
2
2,6366
2,6372
0,60
2,6377
1,10
2,6383
1,70
2,6392
2,60
2,6404
3,80
3
2,6466
2,6475
0,90
2,6483
1,70
2,6488
2,20
2,6497
3,10
2,6510
4,40
Rata-rata stdev
PELAPISAN 2x
Kaca
1,00 0,44
2,01 0,72
3,47
5,14
7,11
0,73
1,08
1,64
111
Lampiran 4 (lanjutan) Tabel 4.3 Pelapisan 5x periode II No Petri I
J
K
L
M
N
O
P
PELAPISAN 5x Kaca Kosong TiO2 + Kaca TiO2 (gr) (gr) (mg) 1 2,3808 2,3862 5,40 2 2,2168 2,2216 4,80 3 2,2828 2,2881 5,30 1 2,3301 2,3381 8,00 2 2,2163 2,2237 7,40 3 2,3275 2,3356 8,10 1 2,2836 2,2927 9,10 2 2,2444 2,2527 8,30 3 2,3881 2,3968 8,70 1 2,2713 2,2812 9,90 2 2,1915 2,1999 8,40 3 2,2569 2,2663 9,40 1 2,2371 2,2465 9,40 2 2,3066 2,3150 8,40 3 2,3495 2,3589 9,40 1 2,3522 2,3615 9,30 2 2,3739 2,3816 7,70 3 2,2259 2,2341 8,20 1 2,1844 2,1919 7,50 2 2,3804 2,3866 6,20 3 2,3385 2,3458 7,30 1 2,1967 2,2024 5,70 2 2,3940 2,3987 4,70 3 2,2980 2,3031 5,10 Rata-rata 7,57 std. deviasi 1,64
Tabel 4.4 Pelapisan 5x periode III No Petri
Kaca
Q
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
R
S
T
U
V
W
X
PELAPISAN 5x Kosong TiO2 + Kaca TiO2 (gr) (gr) (mg) 2,4420 2,4505 8,50 2,3283 2,3333 5,00 2,3480 2,3536 5,60 2,2930 2,3002 7,20 2,4850 2,4915 6,50 2,2883 2,2958 7,50 2,3576 2,3655 7,90 2,3711 2,3783 7,20 2,4641 2,4722 8,10 2,4406 2,4492 8,60 2,3278 2,3351 7,30 2,3715 2,3796 8,10 2,4154 2,4234 8,00 2,3103 2,3172 6,90 2,4610 2,4696 8,60 2,3185 2,3261 7,60 2,2860 2,2925 6,50 2,2783 2,2859 7,60 2,2824 2,2889 6,50 2,2936 2,2993 5,70 2,4292 2,4359 6,69 2,3988 2,4043 5,50 2,3080 2,3121 4,10 2,2847 2,2901 5,40 Rata-rata 6,94 std. deviasi 1,22
Tabel 4.5 Pelapisan 5x periode IV No Petri
Kaca
Y
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Z
AA
AB
AC
AD
AF
AG
PELAPISAN 5x Kosong TiO2 + Kaca TiO2 (gr) (gr) (mg) 2,8299 2,8363 6,40 2,6785 2,6832 4,70 2,6284 2,6335 5,05 2,7032 2,7126 9,40 2,8475 2,8558 8,30 2,6753 2,6848 9,50 2,7951 2,8057 10,60 2,8250 2,8349 9,90 2,6271 2,6372 10,10 2,2544 2,2648 10,40 2,2353 2,2444 9,10 2,2462 2,2567 10,50 2,2311 2,2416 10,50 2,3391 2,3485 9,40 2,1996 2,2100 10,40 2,3039 2,3132 9,30 2,3170 2,3258 8,79 2,3473 2,3565 9,20 2,3282 2,3364 8,20 2,3659 2,3730 7,10 2,4005 2,4085 8,00 2,3850 2,3914 6,40 2,2158 2,2212 5,40 2,4174 2,4228 5,40 Rata-rata 8,42 std. deviasi 1,92
112
Lampiran 4 (lanjutan) Tabel 4.6 Daftar berat lapis tipis pelapisan 8x No
PELAPISAN 1x
Petri Kaca kosong TiO2 + Kaca TiO2 A
B
C
D
E
F
G
H
PELAPISAN 2 x TiO2 + Kaca
PELAPISAN 3x
PELAPISAN 4x
PELAPISAN 5x
TiO2 TiO2 + Kaca TiO2 TiO2 + Kaca TiO2 TiO2 + Kaca TiO2
PELAPISAN 6x
PELAPISAN 7x
PELAPISAN 8x TiO2 + Kaca TiO2
TiO2 + Kaca
TiO2
TiO2 + Kaca
TiO2
(gr)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
(gr)
(mg)
1
2,4265
2,4279
1,40
2,4292
2,70
2,4312
4,70
2,4327
6,20
2,4350
8,50
2,4379
11,40
2,4403
13,80
2,4431
16,60
2 3
2,2825 2,3188
2,2839 2,3203
1,40 1,50
2,2866 2,3221
4,10 3,30
2,2890 2,3236
6,50 4,80
2,2918 2,3254
9,30 6,60
2,2944 2,3273
11,90 8,50
2,2978 2,3299
15,30 11,10
2,3013 2,3315
18,80 12,70
2,3046 2,3334
22,10 14,60
1
2,4703
2,4720
1,70
2,4733
3,00
2,4745
4,20
2,4763
6,00
2,4788
8,50
2,4817
11,40
2,4853
15,00
2,4887
18,40
2 3
2,3666 2,2662
2,3687 2,2673
2,10 1,10
2,3703 2,2695
3,70 3,30
2,3726 2,2710
6,00 4,80
2,3749 2,2722
8,30 6,00
2,3779 2,2739
11,30 7,70
2,3814 2,2763
14,80 10,10
2,3859 2,2788
19,30 12,60
2,3897 2,2814
23,10 15,20
1
2,3355
2,3363
0,80
2,3377
2,20
2,3387
3,20
2,3399
4,40
2,3423
6,80
2,3445
9,00
2,3479
12,40
2,3506
15,10
2 3
2,3507 2,3315
2,3525 2,3330
1,80 1,50
2,3538 2,3340
3,10 2,50
2,3554 2,3349
4,70 3,40
2,3567 2,3369
6,00 5,40
2,3592 2,3377
8,50 6,20
2,3623 2,3391
11,60 7,60
2,3660 2,3417
15,30 10,20
2,3689 2,3433
18,20 11,80
1
2,3953
2,3964
1,10
2,3971
1,80
2,3980
2,70
2,3992
3,90
2,4007
5,40
2,4029
7,60
2,4056
10,30
2,4080
12,70
2
2,4828
2,4842
1,40
2,4853
2,50
2,4867
3,90
2,4883
5,50
2,4899
7,10
2,4923
9,50
2,4955
12,70
2,4976
3 1
2,3207 2,3438
2,3223 2,3447
1,60 0,90
2,3230 2,3456
2,30 1,80
2,3239 2,3462
3,20 2,40
2,3249 2,3475
4,20 3,70
2,3261 2,3483
5,40 4,50
2,3274 2,3505
6,70 6,70
2,3296 2,3530
8,90 9,20
2,3309 2,3548
14,80 10,20
2
2,4555
2,4565
1,00
2,4574
1,90
2,4586
3,10
2,4599
4,40
2,4615
6,00
2,4636
8,10
2,4663
10,80
2,4678
3 1
2,3654 2,4465
2,3666 2,4473
1,20 0,80
2,3673 2,4480
1,92 1,50
2,3685 2,4487
3,10 2,20
2,3693 2,4501
3,90 3,60
2,3708 2,4511
5,40 4,60
2,3717 2,4522
6,30 5,70
2,3729 2,4543
7,50 7,80
2,3745 2,4563
2
2,4174
2,4190
1,60
2,4200
2,60
2,4209
3,50
2,4221
4,70
2,4237
6,30
2,4253
7,90
2,4270
9,60
2,4289
3 1
2,4643 2,3537
2,4653 2,3549
1,00 1,20
2,4663 2,3559
2,00 2,20
2,4671 2,3569
2,80 3,20
2,4680 2,3577
3,70 4,00
2,4689 2,3594
4,60 5,70
2,4700 2,3610
5,70 7,30
2,4714 2,3623
7,10 8,60
2,4723 2,3648
2
2,3815
2,3828
1,30
2,3839
2,40
2,3856
4,10
2,3864
4,90
2,3883
6,80
2,3908
9,30
2,3926
11,10
2,3939
12,40
3 1
2,4376 2,6474
2,4385 2,6484
0,90 1,00
2,4395 2,6495
1,90 2,10
2,4407 2,6502
3,10 2,80
2,4414 2,6517
3,80 4,30
2,4427 2,6533
5,10 5,90
2,4437 2,6549
6,10 7,50
2,4452 2,6566
7,60 9,20
2,4460 2,6584
8,40 11,00
2
2,5295
2,5312
1,70
2,5325
3,00
2,5334
3,90
2,5355
6,00
2,5367
7,20
2,5390
9,50
2,5409
11,40
2,5423
12,80
3
2,6395
2,6408
1,30
2,6420
0,00
2,6430
3,50
2,6443
4,80
2,6455
6,00
2,6463
6,80
2,6480
8,50
2,6496
10,10
11,00 12,30 9,10 9,80 11,50 8,00 11,10
Berat rata-rata
1,30
2,50
3,74
5,15
6,83
8,88
11,27
13,35
Deviasi standar
0,34
0,65
1,07
1,47
1,94
2,67
3,34
4,01
113
Lampiran 5. Kenaikan berat TiO2 rata-rata pada setiap pelapisan lapis tipis Tabel 5.1 Kenaikan berat TiO2 rata-rata pada setiap pelapisan lapis tipis lapis tipis pelapisan 1x 1x (mg) 1,8
1x (mg) 1,0
Deviasi standar = 0,43
lapis tipis pelapisan 5x 2x 3x 4x (mg) (mg) (mg) 1,0 1,5 1,7
5x (mg) 2,0
1x (mg) 1,3
2x (mg) 1,2
3x (mg) 1,2
lapis tipis pelapisan 8x 4x 5x (mg) (mg) 1,4 1,7
6x (mg) 2,0
7x (mg) 2,4
8x (mg) 2,1
114
Lampiran 6. Hasil pengukuran ketebalan lapis tipis TiO2 pada foto SEM dengan menggunakan software Scion Image
lapis tipis pelapisan 1x
ketebalan rata-rata 0,91± 0,07 µm
lapis tipis pelapisan 5x
ketebalan rata-rata 1,73 ± 0.21 µm
lapis tipis pelapisan 8x
ketebalan rata-rata 3,51± 0.15µm
115
Lampiran 7. Scanning menggunakan spektrofotometer UV-Vis zat warna ekstrak kulit manggis dalam pelarut etanol λ (nm) 777 776 775 774 773 772 771 770 769 768 767 766 765 764 763 762 761 760 759 758 757 756 755 754 753 752 751 750 749 748 737 736 735 734 733 732 731 730 729 728 727
A 0,00158 0,00154 0,0015 0,00148 0,00147 0,00148 0,0015 0,00155 0,00161 0,00167 0,00173 0,00178 0,00183 0,00187 0,00191 0,00195 0,00201 0,00208 0,00218 0,00229 0,00242 0,00255 0,00268 0,00282 0,00295 0,0031 0,00326 0,00343 0,00362 0,0038 0,00586 0,0061 0,00635 0,00662 0,00688 0,00715 0,00743 0,00771 0,007979 0,00826 0,008529
λ (nm) 726 725 724 723 722 721 720 719 718 717 716 715 714 713 712 711 710 709 708 707 706 705 704 703 702 701 700 699 698 697 696 695 694 693 692 691 690 689 688 687 686
A 0,0088 0,00908 0,00936 0,00966 0,009979 0,0103 0,01063 0,01096 0,01132 0,01169 0,01208 0,01249 0,01292 0,01335 0,01379 0,01424 0,0147 0,01519 0,01569 0,01621 0,01675 0,0173 0,01789 0,0185 0,01914 0,01981 0,02053 0,0213 0,02211 0,02298 0,02391 0,02492 0,02602 0,02723 0,02857 0,03009 0,0318 0,03377 0,03604 0,03871 0,0418
λ (nm) 685 684 683 682 681 680 679 678 677 676 675 674 673 672 671 670 669 668 667 666 665 664 663 662 661 660 659 658 657 656 655 654 653 652 651 650 649 648 647 646 645
A 0,04544 0,04964 0,05455 0,06018 0,066669 0,07402 0,08236 0,09163 0,10188 0,11296 0,12479 0,13712 0,14973 0,1623 0,17448 0,18598 0,19635 0,20538 0,21267 0,21817 0,2216 0,22311 0,22265 0,22054 0,21692 0,2122 0,20667 0,2007 0,19459 0,1886 0,18296 0,17779 0,17319 0,16916 0,16573 0,16281 0,1604 0,15841 0,15683 0,15558 0,15469
116
Lampiran 7. (lanjutan) λ (nm) 644 643 642 641 640 639 638 637 636 635 634 633 632 631 630 629 628 627 626 625 624 623 622 621 620 619 618 617 616 615 614 613 612 611 610 609 608 607 606 605 604
A 0,15409 0,15382 0,15386 0,15424 0,15495 0,15604 0,1575 0,15937 0,16163 0,16432 0,16743 0,17101 0,17503 0,17953 0,18447 0,18987 0,19568 0,20191 0,20852 0,21553 0,2229 0,23064 0,23872 0,24715 0,25587 0,26489 0,27416 0,28369 0,29344 0,30342 0,31357 0,32389 0,33435 0,34491 0,35552 0,36618 0,37683 0,38746 0,39805 0,40857 0,41901
λ (nm) 603 602 601 600 599 598 597 596 595 594 593 592 591 590 589 588 587 586 585 584 583 582 581 580 579 578 577 576 575 574 573 572 571 570 569 568 567 566 565 564 563
A 0,42935 0,43957 0,44965 0,4596 0,46939 0,47904 0,48852 0,49789 0,50715 0,51631 0,52539 0,5344 0,54332 0,55217 0,56093 0,569609 0,57826 0,58688 0,59552 0,6042 0,612959 0,62178 0,63069 0,63969 0,6488 0,65804 0,66742 0,67694 0,68661 0,69642 0,70634 0,71636 0,72648 0,73667 0,74692 0,75721 0,76752 0,77782 0,78807 0,79823 0,80826
λ (nm) 562 561 560 559 558 557 556 555 554 553 552 551 550 549 548 547 546 545 544 543 542 541 540 539 538 537 536 535 534 533 532 531 530 529 528 527 526 525 524 523 522
A 0,81815 0,82784 0,83731 0,8465 0,85538 0,86388 0,87196 0,87957 0,88673 0,89337 0,89954 0,90522 0,91044 0,9152 0,91954 0,92345 0,92697 0,93011 0,93289 0,93527 0,93726 0,93879 0,93986 0,94037 0,94034 0,93973 0,93859 0,93692 0,93478 0,93221 0,9293 0,9261 0,92271 0,91917 0,91555 0,91189 0,90821 0,9045 0,90077 0,89701 0,8932
117
Lampiran 7 (lanjutan) λ (nm) 521 520 519 518 517 516 515 514 513 512 511 510 509 508 507 506 505 504 503 502 501 500 499 498 497 496 495 494 493 492 491 490 489 488 487 486 485 484 483 482 481
A 0,88935 0,88543 0,88145 0,87741 0,873279 0,86908 0,864789 0,86038 0,85584 0,85115 0,84628 0,84122 0,83595 0,83048 0,82482 0,81903 0,81315 0,80727 0,80146 0,79579 0,79033 0,78513 0,78027 0,77576 0,77166 0,76799 0,76483 0,76218 0,76014 0,75868 0,75791 0,75781 0,75847 0,75984 0,761989 0,76488 0,76857 0,77301 0,77829 0,784359 0,79133
λ (nm) 480 479 478 477 476 475 474 473 472 471 470 469 468 467 466 465 464 463 462 461 460 459 458 457 456 455 454 453 452 451 450 449 448 447 446 445 444 443 442 441 440
A 0,79918 0,80803 0,81787 0,82888 0,84108 0,85477 0,87 0,88714 0,90628 0,92786 0,95195 0,97906 1,00921 1,043 1,08046 1,12225 1,1684 1,21958 1,2757 1,3373 1,40397 1,47595 1,55248 1,63329 1,71744 1,80423 1,89228 1,98043 2,06724 2,15061 2,22936 2,30166 2,36679 2,42369 2,47288 2,5138 2,54764 2,57452 2,59527 2,61014 2,62057
λ (nm) 439 438 437 436 435 434 433 432 431 430 429 428 427 426 425 424 423 422 421 420 419 418 417 416 415 414 413 412 411 410 409 408 407 406 405 404 403 402 401 400 399
A 2,62684 2,62988 2,63053 2,6301 2,6294 2,62907 2,63009 2,63327 2,63913 2,64882 2,66475 2,68644 2,71187 2,73621 2,75423 2,7635 2,76199 2,75042 2,73346 2,71968 2,71258 2,71232 2,71777 2,72649 2,73675 2,74671 2,75495 2,76293 2,77314 2,78491 2,79848 2,81368 2,8309 2,85037 2,87226 2,89576 2,92066 2,94593 2,97072 2,99412 3,01541
λ (nm) 398 397 396 395 394 393 392 391 390 389 388 387 386 385 384 383 382
A 3,03423 3,05009 3,0628 3,07146 3,07629 3,11628 3,0926 2,80549 2,7099 2,9578 3,43805 4,07764 4,77879 5,45334 6,0172 6,26328 6,14045
118
Lampiran 8. Scanning menggunakan DR UV-Vis, zat warna ekstrak kulit manggis setelah teradsorp pada lapis tipis TiO2 λ (nm) 777 776 775 774 773 772 771 770 769 768 767 766 765 764 763 762 761 760 759 758 757 756 755 754 753 752 751 750 749 748 747 746 745 744 743 742 741 740 739 738 737
A 0,01118 0,01104 0,01098 0,01109 0,01122 0,01152 0,0118 0,01197 0,0119 0,01169 0,01141 0,01105 0,01083 0,01064 0,01068 0,01078 0,01091 0,01099 0,01102 0,01101 0,01089 0,01084 0,0107 0,01066 0,01058 0,01045 0,01027 0,01008 0,00996 0,009809 0,0097 0,00959 0,00949 0,00942 0,00919 0,00907 0,00909 0,00927 0,0095 0,00969 0,00995
λ (nm) 736 735 734 733 732 731 730 729 728 727 726 725 724 723 722 721 720 719 718 717 716 715 714 713 712 711 710 709 708 707 706 705 704 703 702 701 700 699 698 697 696
A 0,01005 0,01012 0,00995 0,00986 0,00982 0,00978 0,0098 0,00971 0,00976 0,00976 0,00983 0,0099 0,01003 0,0103 0,01056 0,01086 0,01102 0,01106 0,0109 0,01055 0,01022 0,00983 0,00973 0,0098 0,01011 0,0105 0,01074 0,01096 0,01119 0,01163 0,01205 0,01265 0,01327 0,01381 0,01411 0,01404 0,01397 0,01409 0,01443 0,01484 0,01539
λ (nm) 695 694 693 692 691 690 689 688 687 686 685 684 683 682 681 680 679 678 677 676 675 674 673 672 671 670 669 668 667 666 665 664 663 662 661 660 659 658 657 656 655
A 0,01605 0,01673 0,01749 0,01814 0,01861 0,01924 0,02029 0,02135 0,02309 0,02506 0,02759 0,0306 0,03334 0,03541 0,0373 0,03911 0,04039 0,04182 0,0427 0,04363 0,04448 0,0453 0,04636 0,04753 0,04929 0,05089 0,05264 0,05401 0,05516 0,05632 0,05777 0,05994 0,0621 0,06458 0,06671 0,068529 0,070209 0,071819 0,07366 0,07587 0,07867
119
Lampiran 8 (lanjutan) λ (nm) 654 653 652 651 650 649 648 647 646 645 644 643 642 641 640 639 638 637 636 635 634 633 632 631 630 629 628 627 626 625 624 623 622 621 620 619 618 617 616 615 614
A 0,08151 0,08416 0,08643 0,08791 0,089219 0,09027 0,091439 0,09281 0,09447 0,09648 0,09847 0,1006 0,10235 0,10412 0,10582 0,1076 0,10947 0,11139 0,11345 0,1155 0,11758 0,11939 0,12117 0,12276 0,12431 0,12583 0,12715 0,12842 0,12961 0,13069 0,13164 0,13273 0,13381 0,13505 0,13638 0,13754 0,13881 0,14007 0,14135 0,14262 0,14394
λ (nm) 613 612 611 610 609 608 607 606 605 604 603 602 601 600 599 598 597 596 595 594 593 592 591 590 589 588 587 586 585 584 583 582 581 580 579 578 577 576 575 574 573
A 0,14526 0,14635 0,14736 0,1482 0,14901 0,1499 0,1508 0,15187 0,15268 0,15341 0,15364 0,15393 0,15414 0,15422 0,15457 0,15493 0,15579 0,15665 0,15776 0,15878 0,15981 0,16077 0,16137 0,16183 0,16191 0,16186 0,16185 0,16166 0,1616 0,1616 0,16214 0,16288 0,16382 0,16493 0,16571 0,16651 0,16641 0,16615 0,16563 0,16519 0,16482
λ (nm) 572 571 570 569 568 567 566 565 564 563 562 561 560 559 558 557 556 555 554 553 552 551 550 549 548 547 546 545 544 543 542 541 540 539 538 537 536 535 534 533 532
A 0,16458 0,16482 0,16504 0,16541 0,16547 0,1653 0,16494 0,16399 0,16289 0,1621 0,16177 0,16233 0,16357 0,16572 0,1684 0,17145 0,17462 0,17811 0,18217 0,18645 0,19126 0,19595 0,20027 0,20384 0,2059 0,20654 0,20539 0,20299 0,19961 0,19607 0,1932 0,1908 0,18992 0,1892 0,1888 0,1881 0,18673 0,18482 0,18235 0,1807 0,17908
120
Lampiran 8 (lanjutan) λ (nm) 531 530 529 528 527 526 525 524 523 522 521 520 519 518 517 516 515 514 513 512 511 510 509 508 507 506 505 504 503 502 501 500 499 498 497 496 495 494 493 492 491
A 0,17865 0,17853 0,17875 0,17936 0,17935 0,17922 0,17874 0,17835 0,17753 0,17638 0,17516 0,17351 0,17232 0,17115 0,17075 0,17127 0,17213 0,17352 0,17435 0,17548 0,17595 0,17627 0,17628 0,17598 0,17595 0,17559 0,17558 0,17558 0,17634 0,1775 0,17906 0,18109 0,18341 0,18585 0,18794 0,18948 0,19054 0,19111 0,19159 0,1918 0,19255
λ (nm) 490 489 488 487 486 485 484 483 482 481 480 479 478 477 476 475 474 473 472 471 470 469 468 467 466 465 464 463 462 461 460 459 458 457 456 455 454 453 452 451 450
A 0,19409 0,19607 0,19846 0,20077 0,20296 0,20483 0,20647 0,2072 0,20793 0,20896 0,20996 0,21122 0,21269 0,21459 0,21644 0,21856 0,22 0,22226 0,22534 0,22871 0,23281 0,23722 0,24225 0,2466 0,25121 0,25453 0,25809 0,26216 0,26571 0,27026 0,27464 0,27974 0,28544 0,29098 0,29595 0,29942 0,30322 0,30583 0,30886 0,31179 0,31506
λ (nm) 449 448 447 446 445 444 443 442 441 440 439 438 437 436 435 434 433 432 431 430 429 428 427 426 425 424 423 422 421 420 419 418 417 416 415 414 413 412 411 410 409
A 0,32052 0,32536 0,33216 0,33792 0,3465 0,35526 0,36374 0,37286 0,38038 0,3888 0,39417 0,39844 0,40171 0,40577 0,41133 0,41732 0,42684 0,43966 0,45333 0,46962 0,49362 0,52425 0,54688 0,558559 0,54577 0,513 0,45832 0,38831 0,31839 0,26798 0,23894 0,22508 0,22569 0,23112 0,24048 0,24726 0,25096 0,25353 0,25773 0,26127 0,26434
λ (nm) 408 407 406 405 404 403 402 401 400 399 398 397 396 395 394 393 392 391 390 389 388 387 386 385
A 0,26755 0,27131 0,27527 0,27979 0,28463 0,29009 0,29472 0,29811 0,3005 0,30254 0,30402 0,30456 0,30427 0,30267 0,30102 0,28876 0,28763 0,30246 0,32562 0,3391 0,32882 0,28894 0,21688 0,11681
121
Lampiran 9. Penentuan ketebalan lapis tipis optimum untuk proses adsorpsi
9.1 Data absorbansi larutan standar dan grafik standar untuk penentuan ketebalan optimum. λ optimum = 539 nm C (% v/v) A 0 0 2,5 0,1206 5 0,2459 10 0,4916 15 0,7477 20 1,0043
A
1,0 0,8 0,6 0,4
y = 0,0502x - 0,0044
0,2
R2 = 0,9999
0,0 0
5
10
15
20
25
C (% v/v)
9.2 Data absorbansi dan konsentrasi zat warna hasil ekstraksi dari kulit manggis setelah proses adsorpsi pada lapis tipis titania Pelapisan Lapis tipis 1x 5x 8x
A blanko
A sampel
0,7415 0,7415 0,7415
0,7089 0,6561 0,6454
C blanko (% v/v) 14,86 14,86 14,86
C sisa (% v/v) 14,21 13,16 12,94
C teradsorb (% v/v) 0,6 1,7 1,9
122
Lampiran 10. Penentuan waktu interaksi optimum dalam proses adsorpsi
10.1 Data absorbansi larutan standar dan grafik standar untuk penentuan waktu interaksi optimum dalam proses adsorpsi. λ optimum = 539 nm C (%v/v) A 0 0 2,5 0,1148 5 0,2232 10 0,4566 15 0,6959 20 0,9257
A
1,0 0,8 0,6 y = 0,0464x - 0,0034
0,4
R2 = 0,9999
0,2 0,0 0
5
10
15
20 25 C (%v/v)
10.2 Data absorbansi dan konsentrasi zat warna hasil ekstraksi dari kulit manggis setelah proses adsorpsi pada lapis tipis titania waktu (menit) 1 5 15 20 30 60 120 180 360 blanko
A
0,6359 0,6199 0,6252 0,6054 0,6073 0,6042 0,5899 0,5949 0,5865 0,6751
C sisa (% v/v) 13,77802 13,43319 13,54741 13,12069 13,16164 13,09483 12,78664 12,8944 12,71336 14,47629
C teradsorb (% v/v) 0,70 1,04 0,93 1,36 1,31 1,38 1,69 1,58 1,76
123
Lampiran 11. Penentuan konsentrasi optimum dalam proses adsorpsi
11.1 Data absorbansi larutan standar dan grafik standar untuk penentuan konsentrasi optimum dalam proses adsorpsi. λ optimum = 539 nm C (%v/v) 0 3 5 10 15 20
A
A 0 0,1502 0,2339 0,4396 0,6530 0,8659
1,0 0,8 0,6 0,4
y = 0.0428x + 0.0127 R2 = 0.9994
0,2 0,0 0
5
10
15
20 25 C (%v/v)
11.2 Data absorbansi dan konsentrasi zat warna hasil ekstraksi dari kulit manggis setelah proses adsorpsi pada lapis tipis titania C awal (% v/v) 3 5 10 15 20
A blanko
A sampel
0,1444 0,2296 0,4308 0,6497 0,8630
0,1304 0,1986 0,3881 0,5816 0,7890
C blanko (% v/v) 3,08 5,07 9,77 14,88 19,87
C sisa (% v/v) 2,75 4,343458 8,771028 13,29206 18,13785
C teradsorb (% v/v) 0,33 0,72 1,00 1,59 1,73
124
Lampiran 12. Hasil pengukuran arus listrik (I) dan tegangan (V) Tabel 12.1 Pengukuran I-V sel surya dengan sensitiser ekstrak kulit buah manggis
V (mV) -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
I gelap (µA) -1,50 -0,51 -0,13 -0,10 -0,02 0,05 0,12 0,23 0,68 1,27 1,66 2,70 3,72 4,82 5,54 7,08 8,80
I terang (µA) -2,22 -1,70 -1,32 -0,99 -0,88 -0,74 -0,47 -0,01 0,68 1,66 2,71 4,08 5,48 7,24 9,66 12,38 15,65
125
Lampiran 13. Penentuan Isc, Voc, Fill Factor (FF) dan efisiensi (η)
Grafik arus listrik (I) versus tegangan (V) dalam keadaaan terang
Isc = -0,88 µA Voc = 150 mV FF =
I max.Vmax I sc.Voc
FF =
−0,55 µ A . 90 mV = 0,375 −0,88 µ A . 150 mV
Jsc =
I sc 0,88.10−3 mA = =3,52.10-3 mA/cm2 2 0, 25 cm luas area
η=
J sc .Voc .FF 3,52.10−3 mA / cm 2 .0,15 V .37,5% = =7,73.10-4 % 25, 6 mW / cm 2 I
126
Lampiran 14. Karakterisasi sel surya dengan sensitiser zat warna alami (Heriyanti, 2006) Tabel 14.1 Data hasil analisis kurva I-V sel surya dengan sensitiser zat warna alami (Heriyanti, 2006) Zat Warna Isc (µA) . Jsc (µA/cm2) Voc (V) FF η (%) Duwet 0,03 0,12 0,05 0,24 0,00000563 Trembilu 0,36 1,44 0,12 0,35 0,00023625 Tegeran 0,40 1,60 0,10 0,38 0,00023750 Tingi 0,20 0,80 0,07 0,21 0,00004594 Joho 0,40 1,60 0,10 0,31 0,00019375
127
Lampiran 15. Spesifikasi dan skema alat air brush AB-300 Spesifikasi air brush AB-300 :
Diameter semprotan
: 0,3 mm
Kapasitas tempat larutan
: 7 mL
Skema alat air brush
Keterangan gambar 1
Needle Cover
9
Needle Chuck
16 O Ring
2
Air Cap
10
Needle Spring Cover
17 1/8 Air Nipple
3
Fluid Nozzle
11
Needle Spring
18 Air Valve
4
Fluid Cup Lid
12
Needle Setting Screw
19 1/8 House Coupler
5
O Ring
13
Holder Cap
20 1/8 House Insert
6
Needle Packing Screw
14
Needle
21 Spanner
7
Main Lever
15
Pinston
22 Needle Chuck Screw
8
Lever Guide
128
Lampiran 16. Gambar lapis tipis TiO2 pelapisan 1x, 5x dan 8x
Pelapisan 1x
Pelapisan 5x
Pelapisan 8x
Lampiran 17. Gambar serbuk dan ekstrak kulit buah manggis
Serbuk kulit manggis kering
Ekstrak kulit manggis ~15 % (v/v)
