PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM DIOKSIDA SENSITISASI DYE ANTOSIANIN DARI EKSTRAK BUAH STRAWBERRY

SKRIPSI

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM DIOKSIDA SENSITISASI DYE ANTOSIANIN DARI EKSTRAK BUAH STRAWBERRY

AYU SITI RAHMAWATI

DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011


AYU SITI RAHMAWATI


ABSTRAK AYU SITI RAHMAWATI Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Titanium Dioksida Sensitisasi Dye Antosianin dari Ekstrak Buah Strawberry. Dibimbing oleh Dr. AKHIRUDDIN MADDU dan Dr. Ir. IRMANSYAH, M.Si. Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan mempelajari prototipe sel surya nanokristal n-TiO2/Dye/p-CuSCN tersensitisasi dye antosianin dari ekstrak buah strawberry, serta melakukan karakterisasi arus-tegangan. Karakterisasi sel surya yang dibuat meliputi XRD, spektrum serapan dan arus-tegangan. Hasil karakterisasi XRD TiO2 menunjukkan bahwa pada sampel TiO2 yang dibuat terbentuk kristal anatase dan rutile, tetapi yang paling dominan terbentuk adalah anatase. Dye antosianin dari ekstrak buah strawberry mempunyai daerah serapan optik 451-623 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741. Hasil penelitian menunjukkan bahwa arus dan tegangan yang dihasilkan dipengaruhi oleh lama perendaman di dalam dye yakni sampel dengan lama perendaman 2 hari memiliki tegangan lebih besar dibandingkan sampel dengan lama perendaman 1 hari yaitu 219 mV, sedangkan tegangan dengan lama perendaman 1 hari yaitu sebesar 199 mV. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa sel surya yang direndam selama 2 hari memiliki sensitivitas yang lebih tinggi, lebih bersifat fotovoltaik dan arus serta tegangan yang dihasilkan pun lebih tinggi dibandingkan sel surya yang direndam selama 1 hari. Kata kunci : sel surya, dye, strawberry, lama perendaman, fotovoltaik


AYU SITI RAHMAWATI

Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika


Judul

: Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Titanium Dioksida Sensitisasi Dye Antosianin dari Ekstrak Buah Strawberry

Nama

: Ayu Siti Rahmawati

NIM

: G74070030

Departemen

: Fisika

Menyetujui

Dr. Akhiruddin Maddu

Dr. Ir. Irmansyah, M.Si

Pembimbing 1

Pembimbing 2 Mengetahui

Dr. Ir. Irzaman, M.Si Ketua Departemen Fisika

Tanggal Lulus:

KATA PENGANTAR Alhamdulillahirabbil’alamin, segala puji bagi Allah yang telah memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya, Shalawat serta salam semoga selalu dicurahkan kepada Rosulullah SAW. Dengan rahmat Allah SWT penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya TiO2 Sensitisasi Dye Antosianin dari Ekstrak Buah Strawberry”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Pemilihan judul ini didasari pada prospek kedepannya bagus sebagai sumber energi baru yang dapat menggantikan energi yang telah ada. Pada kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terimakasih kepada kedua orang tua, kakak dan para sahabat yang selalu memberikan nasehat, bimbingan dan semangat kepada penulis. Kepada Bapak Akhiruddin dan Bapak Irmansyah sebagai pembimbing skripsi yang selalu memberikan motivasi, semangat untuk menyelesaikan penelitian ini dan menyempatkan waktunya untuk berdiskusi mengenai penyusunan skripsi ini. Kepada Kak Kusnadi dan keluarga, Yuliane, teman-teman satu kosan, dan rekan-rekan fisika angkatan 43, 44 dan 45 beserta civitas akademika fisika lainnya yang telah banyak banyak membantu penulis selama ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan. Semoga hasil penelitian ini bisa memberikan kontribusi bagi pemanfaatan sumber energi alternatif yang baru.

Bogor, Mei 2011

Penulis

RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 22 Oktober 1989 sebagai anak ke-enam dari enam bersaudara dari pasangan Drs. Rahmat Hidayat dan Siti Komariah. Pada tahun 2001, penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN Kiansantang Garut. Pada tahun 2004, penulis menyelesaikan pendidikan menengah pertama di SMPN 1 Garut. Kemudian pada tahun 2007, penulis menyelesaikan pendidikan menengah atas dengan jurusan IPA di SMAN 1 Garut. Pada tahun yang sama, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur USMI di departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam IPB. Selama menjadi mahasiswa Departemen Fisika, penulis pernah aktif dalam kelembagaan antara lain sebagai Bendahara II Himpunan Mahasiswa Fisika Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam pada tahun kepengurusan 2009/2010. Penulis juga pernah mengikuti beberapa kepanitiaan serta menjadi peserta dalam beberapa kegiatan. Penulis juga aktif memberikan pelajaran tambahan untuk mahasiswa tingkat pertama. Selain itu penulis juga pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Eksperimen Fisika I pada tahun 2010-2011. Motto hidup penulis adalah “sempurnakan usaha dengan do’a”.

DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ............................................................................... DAFTAR GAMBAR ........................................................................... DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... PENDAHULUAN Latar Belakang ........................................................................................... Perumusan Masalah ................................................................................... Hipotesis ..................................................................................................... Tujuan Penelitian ....................................................................................... TINJAUAN PUSTAKA Material Titanium Dioksida (TiO2) ............................................................ CuSCN ....................................................................................................... Antosianin sebagai Dye Sensitizer ............................................................. Sel Surya Tersensitisasi Dye ...................................................................... Sel Surya Nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN ............................................. Karakterisasi X-ray Diffraction (XRD) ..................................................... Karakterisasi Spektrum Serapan ................................................................ Karakterisasi Arus-Tegangan Sel Surya .................................................... BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Penelitian .................................................................... Alat dan Bahan ........................................................................................... Metode Penelitian....................................................................................... Pembuatan lapisan TiO2 ............................................................................. Pembuatan larutan dye antosianin .............................................................. Pembuatan elektrolit CuSCN ..................................................................... Pembuatan prototipe sel surya ................................................................... Karakterisasi XRD ...................................................................................... Karakterisasi absorbansi............................................................................. Karakterisasi arus-tegangan ....................................................................... HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi XRD Lapisan TiO2 ................................................................ Karakterisasi Optik Dye Antosianin dan Lapisan TiO2............................... Karakterisasi I-V n-TiO2/dye/p-CuSCN ...................................................... KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan .................................................................................................. Saran ............................................................................................................ DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... LAMPIRAN .....................................................................................................

v vi vii 1 2 2 2 2 3 3 4 5 7 8 8 10 10 10 10 10 10 11 11 11 11 12 13 14 17 17 18 20

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1 Perbedaan struktur kristal anatase dan rutile.....................................

3

Tabel 2 Kandungan antosianin dan bentuk glikosidanya ................................

4

Tabel 3 Voc dan Isc.........................................................................................

14

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1 Struktur kristal TiO2 ......................................................................

2

Gambar 2 Struktur senyawa CuSCN...............................................................

3

Gambar 3 Struktur kimia antosianin ...............................................................

3

Gambar 4 Skema kerja sel surya tersensitisasi dye .........................................

5

Gambar 5 Struktur sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN .....................

6

Gambar 6 Skema injeksi elektron ...................................................................

6

Gambar 7 Prinsip XRD ...................................................................................

7

Gambar 8 Pantulan sinar-X oleh bidang atom S1S1 dan S2S2 terpisah pada jarak d ............................................................................................

7

Gambar 9 Karakteristik arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya ...........

8

Gambar 10 Rangkaian pengukuran karakterisasi arus-tegangan sel surya .....

9

Gambar 11 Pengukuran tegangan pada rangkaian terbuka [Voc] ....................

9

Gambar 12 Hasil karakterisasi XRD TiO2 ......................................................

12

Gambar 13 Spektrum absorbansi ....................................................................

14

Gambar 14 (a) Kurva karakterisasi I-V sampel 1 ..............................................

14

(b) Kurva karakterisasi I-V sampel 2 .............................................

14

Gambar 15 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 1 terhadap cahaya ..........................................................................

15

Gambar 16 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 2 terhadap cahaya ..........................................................................

15

DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Diagram alur penelitian ............................................................... 31 Lampiran 2 Data JCPDS kristal TiO2 fase Rutile ...........................................

32

Lampiran 3 Data JCPDS kristal TiO2 fase Anatase ........................................

33

Lampiran 4 Deteksi puncak parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan metode Cohen dan Cramer .........................................................

34

Lampiran 5 Menentukan parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan metode Cohen dan Cramer .........................................................

35

Lampiran 6 Alat dan bahan yang digunakan selama penelitian ......................

37

PENDAHULUAN Latar Belakang Pertumbuhan populasi penduduk, perkembangan industri dan perkembangan teknologi mengakibatkan pemenuhan kebutuhan energi yang sangat banyak. Energi yang dihasilkan sampai saat ini masih bersumber dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, sehingga ada kemungkinan ketersediaan energi akan berkurang. Hal tersebut terjadi karena kebutuhan terhadap energi yang tidak terbatas sementara ketersediaan energi yang dihasilkan terbatas. Oleh karena itu, dibutuhkan terobosan – terobosan baru untuk menciptakan alternatif sumber energi yang terbarukan, praktis, ramah lingkungan dan murah. Salah satu alternatif yang dapat dikembangkan yakni pemanfaatan sinar matahari. Suplai energi matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Oleh karena itu, sinar matahari merupakan alternatif sumber energi yang dapat dikembangkan melalui konversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung atau efek fotovoltaik dengan sistem sel surya. Dengan kata lain, jika permukaan bumi ditutup sebesar 0.1 % menggunakan piranti sel surya yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi listrik di seluruh dunia saat ini. Perkembangan yang pesat dari industri sel surya pada tahun 2004 telah mencapai tingkat 1000 MW membuat banyak kalangan semakin melirik sumber energi masa depan yang sangat diharapkan ini. 1 Bahan dasar yang banyak digunakan dalam sel surya adalah semikonduktor. Salah satu dari sejumlah material semikonduktor yang digunakan dalam teknologi sel surya sebagai bahan dasarnya

adalah titanium dioksida (TiO2). Selain itu material TiO2 mempunyai daya oksidasi yang tinggi, stabilitasnya tinggi dalam mencegah fotokorosi, tidak beracun, serta dapat diaplikasikan sebagai fotokatalis untuk mereduksi senyawa organik yang dapat membahayakan lingkungan.2 Perkembangan teknologi sel surya pada saat ini memang menunjukkan harapan harga sel surya yang murah dan memiliki efisiensi yang tinggi. Oleh karena itu untuk menekan biaya pembuatan dan produksi yang kompleks sebagai alternatif pembuatan piranti fotovoltaik maka saat ini dikembangkan sel surya tersensitisasi dye yang berbasis semikonduktor nanokristal. Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan sel surya TiO2 tersensitisasi dye menggunakan tembaga tiosianat (CuSCN) sebagai semikonduktor tipe-p. Perumusan Masalah Yang menjadi perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh lama perendaman dye terhadap arus dan tegangan yang dihasilkan ? Hipotesis Sel surya tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye, yakni lebih lama dilakukan perendaman maka arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar, dan sebaliknya. Tujuan Penelitian Membuat dan mempelajari prototipe sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN tersensitisasi dye antosianin dari ekstrak buah strawberry, serta melakukan karakterisasi arus-tegangan.

TINJAUAN PUSTAKA Material Titanium Dioksida (TiO2) Nanopartikel TiO2 merupakan material semikonduktor tipe-n yang mempunyai ukuran partikel antara 10 sampai 50 nanometer.3 TiO2 berperan penting dalam pemanfaatan fotoenergi karena memiliki daya oksidatif dan stabilitas yang tinggi terhadap fotokorosi, murah, mudah didapat dan tidak beracun. TiO2 mempunyai kemampuan untuk menyerap dye lebih banyak karena di dalamnya terdapat rongga dan ukurannya dalam nano, maka disebut nanoporous. Struktur TiO2 memiliki tiga bentuk struktur yaitu rutile, anatase dan brukit. Rutile dan anatase cukup stabil, sedangkan brukit sulit ditemukan, biasanya terdapat dalam mineral dan sulit dimurnikan.4 Struktur anatase dan rutile dapat dilihat pada Gambar 1.

a. Anatase

b. Rutile Gambar 1 Struktur kristal TiO2 (001)5,6 Struktur kristal anatase dan rutile . TiO2 adalah tetragonal dan dapat digambarkan sebagai rantai oktahedron

TiO6. Perbedaan keduanya terdapat pada distorsi oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya. Masing-masing ion Ti4+ dikelilingi oleh enam ion O2-. Oktahedral pada struktur rutile mengalami sedikit distorsi ortorombik, sedangkan pada anatase distorsi ortorombiknya cukup besar sehingga relatif tidak simetri. Jarak antara Ti-Ti anatase lebih besar pada anatase dibandingkan dengan rutile (3,79 dan 3,04 Å dengan 3,57 dan 3,96 Å) sedangkan jarak Ti-O anatase lebih kecil dibanding dengan rutile (1,934 dan 1,980 Å dengan 1,949 dan 1,980 Å). Setiap oktahedron pada struktur rutile dikelilingi oleh sepuluh oktahedron tetangga, sedangkan pada struktur anatase setiap oktahedron hanya dikelilingi delapan oktahedron tetangga. Distorsi ortorombik menyebabkan terjadinya perbedaan luasan aktif, anatase memiliki simetri geometris yang lebih mendukung untuk mengabsorbsi cahaya karena luasan aktifnya lebih besar daripada rutile.7 Panjang gelombang yang dapat diserap anatase adalah 388 nm dan 413 nm pada rutile. Anatase mempunyai kerapatan 3,89 g/cm3, sedangkan rutile 4,26 g/cm3. Anatase dapat disintesis pada suhu rendah dengan metode preparasi elektrolisis TiCl4, TiOSO4, atau dari titanium alkokosida.8 Bentuk kristal anatase terjadi pada pemanasan suhu rendah (100-7000C), sedangkan pada rutile terbentuk pada suhu tinggi (700-10000C) dan pada suhu tersebut rutile dapat mengalami transformasi menjadi anatase.9 Perbedaan antara struktur kristal anatase dan rutile ditunjukkan pada Tabel 1.

3

Tabel 1 Perbedaan struktur kristal anatase dan rutile.10 Faktor perbedaan

TiO2 Anatase

TiO2 Rutile Tetragon al

Sistem kristal

Tetragonal

Parameter kisi a (Å) c (Å) Vol (Å3)

3,7852 9,5139 136,25

4,5933 2,9592 62,07

Massa jenis (gram/ cm3)

3,8950

4,2743

Celah energi (Eg) (eV)

3,2

3,0

CuSCN Elektrolit padat digunakan untuk mengurangi degradasi sel yang terjadi pada elektrolit cair sehingga dapat meningkatkan stabilitas sel surya. CuSCN merupakan senyawa anorganik yang berwarna putih agak transparan dan mempunyai celah energi 3,6 eV. CuSCN merupakan semikonduktor tipe-p. Sel surya ini menggunakan fenomena persambungan semikonduktor p-n, namun disisipi dye diantara keduanya.11 Pada lapisan TiO2 yang merupakan semikonduktor tipe-n pembawa mayoritasnya adalah elektron yang berasal dari atom-atom donor, sedangkan pada CuSCN yang merupakan semikonduktor tipe-p pembawa mayoritasnya adalah hole yang berasal dari atom-atom akseptor.11 Struktur CuSCN dapat dilihat pada Gambar 2.

Antosianin sebagai Dye Sensitizer Antosianin merupakan salah satu dari kelas flavonoid yang berupa pigmen berwarna merah, ungu atau biru dan dapat larut di dalam air. Antosianin merupakan pewarna yang penting dan tersebar luas dalam tumbuhan. Secara kimia antosianin merupakan turunan suatu struktur aromatik tunggal, yaitu sianidin, dan semuanya terbentuk dari pigmen sianidin ini dengan penambahan atau pengurangan gugus hidroksil atau dengan metilasi. Antosianin tidak mantap didalam larutan netral atau basa, sehingga antosianin harus diekstraksi dari tumbuhan dengan pelarut yang mengandung asam asetat atau asam hidroklorida (misalnya metanol yang mengandung HCl pekat 1%) dan larutannya harus disimpan di tempat gelap serta sebaiknya didinginkan. Antosianidin ialah aglikon antosianin yang terbentuk bila antosianin dihidrolisis dengan asam. Ada enam jenis antosianidin, yaitu : sianidin, pelargonidin, peonidin, petunidin, malvidin dan delfinidin.13 Struktur antosianin dapat dilihat pada Gambar 3. Senyawa antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya, sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2. Antosianin adalah komposisi kunci dari beberapa dye alami. Antosianin potensial dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya dalam rentang yang cukup lebar, dari merah hingga biru. Sementara pada klorofil terdapat gugus alkil pada struktur karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan TiO2.14 H

Gambar 2 Struktur senyawa CuSCN.12

4

Gambar 3 Struktur kimia antosianin. 15 Warna pigmen antosianin merah, biru, violet, dan biasanya dijumpai pada bunga, buah-buahan dan sayur-sayuran. Warna yang disebabkan oleh adanya antosianin dipengaruhi oleh konsentrasinya dan pH dari pelarut. Konsentrasi antosianin yang rendah mengakibatkan warna tidak merah melainkan ungu. Apabila konsentrasinya sangat tinggi maka warnanya menjadi ungu tua atau dapat menjadi hitam. pH pelarut sangat berpengaruh terhadap warna antosianin. Secara umum pada pH rendah (pH<7) antosianin berwarna merah, pada pH netral (pH=7) berwarna biru dan pH tinggi (pH>7)berwarna putih. Disamping itu adanya ion logam akan diikat oleh antosianin, misalnya dengan ion Al, menyebabkan antosianin akan berwarna biru.16 Bahan alam seperti anggur merah (Malus pumila), blueberry (Vaccinium corymbosom), cranberry (Vaccinium macrocarpon), strawberry (Fragaria anannassa), kol merah (Brassica oleracea) dan lain-lain mengandung antosianin. Kandungan antosianin dan bentuk glikosida yang terdapat pada sumber makanan tersebut diperlihatkan pada Tabel 3.17 Tabel 2 Kandungan antosianin dan bentuk glikosidanya. Sumber makanan Apel Blueberry

Cranberry Kol merah Stawberry

Antosianin Sianidin Malvidin Petunidin Delpinidin Sianidin Peonidin Sianidin Pelargonidin Sianidin

Bentuk glikosida Monoglikosida Monoglikosida Monoglikosida Monoglikosida Monoglikosida Monoglikosida Diglikosida Monoglikosida Monoglikosida

Dye sensitizer berasal dari dua kata yaitu dye dan sensitization. Dye merupakan molekul pigmen atau senyawa kimia yang dapat menyerap cahaya, sensitisasi merupakan proses membuat sel surya

menjadi peka terhadap cahaya, dan injeksi adalah proses transfer elektron dari molekul dye ke daerah pita konduksi semikonduktor yang terjadi karena absorpsi cahaya2. Lapisan dye yang digunakan merupakan lapisan tunggal (monolayer) dye dan berfungsi sebagai absorber sinar matahari yang utama sehingga menghasilkan aliran elektron. Proses penyerapan cahaya matahari oleh sel surya nanokristal TiO2 tersentisasi dye menyerupai mekanisme fotosintesis pada daun tumbuhan, dengan klorofil sebagai dye-nya. Sel Surya Tersensitisasi Dye Skema kerja dari sel surya tersensitisasi dye yang ditunjukkan pada Gambar 4, pada dasarnya merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton. Elektron tereksitasi dari keadaan dasar (D) ke keadaan tereksitasi (D*). Elektron dari keadaan tereksitasi kemudian langsung terinjeksi menuju pita konduksi (ECB) TiO2 sehingga dye molekul teroksidasi (D+). Dengan adanya donor elektron oleh elektrolit (I-) maka molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground state) dan mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang teroksidasi. Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju counter elektroda melalui rangkaian eksternal. Dengan adanya katalis pada counter elektroda, elektron diterima oleh elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I3-) akibat donor elektron pada proses sebelumnya, berkombinasi membentuk iodide (I-). Iodide ini digunakan untuk mereduksi dye yang teroksidasi membentuk triiodide (I3-), sehingga membentuk suatu siklus transport elektron. Dengan siklus ini terjadi konversi langsung dari cahaya matahari menjadi listrik.18

5

Gambar 4 Skema kerja sel surya tersensitisasi dye.18

Reaksi yang terjadi adalah : D + e- →D* 2D+ + 3e- → 3I- +2D I3- + 2e- → 3I-

(1) (2) (3)

Dye yang digunakan dalam sel surya fotoelektrokimia TiO2 dapat berupa senyawa kimia sintesis yang mengandung pigmen organik atau ekstraksi bahan organik. Dye yang berasal dari ekstraksi bahan organik misalnya pigmen klorofil, karetenoid dan flavonoid yang umumnya terdapat pada daun, bunga, dan buah serta pigmen kuinon yang terdapat pada kulit, kayu dan akar tumbuhan. Dye yang berasal dari senyawa kimia sintesis misalnya [Ru(cdpy)3]2+, [Ru(cdpy)3], [Ru(cdpy)2(NCS)2], Coumarin-343 dan lain-lain.10 Sel Surya CuSCN

Nanokristal

n-TiO2/dye/p-

Sel surya nanokristal TiO2 tersensitisasi dye adalah sel fotoelektrokimia yang memanfaatkan

fenomena fotosintesis yaitu dengan adanya dye yang merupakan penyerap cahaya sehingga menghasilkan aliran elektron. Secara umum sel surya tersensitisasi dye dibentuk antara lain oleh sebuah semikonduktor yang mempunyai pita energi lebar seperti TiO2, sebuah dye yang dilapisi pada semikonduktor untuk penyerap cahaya, elektrolit yang mengandung sebuah pasangan redoks yang sesuai dan elektroda counter berupa lapisan karbon atau platina.8 Sel surya TiO2 tersensitisasi dye terdiri atas lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, dye sebagai fotosensitizer, elektrolit redoks dan elektroda lawan (katoda) yang diberi lapisan katalis. Sel surya tersensitisasi dye berbentuk struktur sandwich seperti pada Gambar 5, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 tersensitisasi dye dan elektroda lawan terkatalisasi mengapit elektrolit membentuk sistem sel fotoelektrokimia. Pada sel surya tersensitisasi dye foton diserap oleh dye yang melekat pada permukaan partikel TiO2

6

yang bertindak sebagai donor elektron dan berperan sebagai pompa fotoelektrokimia.

berekombinasi dengan hole pada pita valensi CuSCN, kedua rekombinasi ini tidak diinginkan karena dapat mereduksi arus yang dihasilkan sel.20 Skema injeksi elektron digambarkan dalam Gambar 6. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Eks hv + D → D* (Eksitasi) + 1. D* → D + e TiO2 (Injeksi pertama elektron ke TiO2) 2. D+ + e- TiO2 → D (Rekombinasi) 3. D* → D- + h+CuSCN (Injeksi hole pertama ke CuSCN) 4. D+ → D + h+CuSCN (Hole ke CuSCN) 5. D- + h+CuSCN → D (Rekombinasi) 6. D- → D + e- TiO2 (Elektron ke TiO2) 7. e- TiO2 + h+CuSCN → heat (Rekombinasi) 8. e- TiO2 + h+CuSCN → kerja (Aliran muatan ke rangkaian luar)

Gambar 5 Struktur sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN.19 Prinsip kerja sel surya nanokristal TiO2 tersensitisasi dye adalah absorbsi cahaya oleh dye sehingga elektron akan tereksitasi ke level LUMO dan akan tercipta hole pada level HOMO di dalam molekul dye. Kemudian terjadi injeksi elektron menuju pita konduksi semikonduktor tipe-n TiO2, sedangkan hole akan terinjeksi menuju pita valensi semikonduktor tipe-p CuSCN karena adanya perbedaan keelektronegatifan. Adanya elektron yang terinjeksi dari dye ke TiO2 dan hole ke CuSCN akan menimbulkan arus yang mengalir ke rangkaian luar. Setelah melewati rangkaian luar, elektron yang terakumulasi pada sisi TiO2 dari sel akan berekombinasi dengan hole pada sisi CuSCN pada elektroda counter. Kemudian ada sebagian elektron dari TiO2

Berdasarkan prinsip kerja sel surya nanokristal TiO2 tersensitisasi dye, partikel TiO2 merupakan pembawa mayoritas elektron, sedangkan partikel CuSCN merupakan pembawa mayoritas hole dan dye berperan sebagai pompa fotoelektrokimia yang mengakibatkan eksitasi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menggunakan cahaya sebagai sumber energi yang diserap.

Pita Konduksi e-1&6 ke rangkaian luar 8

D-/D atau D*/D+ Eksitasi

CuSCN

5

27 n-TiO2 dye hole D-/D* atau D/D+ Pita Valensi

3&4

Gambar 6 Skema injeksi elektron.20

ke rangkaianluar 8

7

Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya nanokristal TiO2 tersentisasi dye disebabkan oleh perbedaan dalam tingkat energi antara TiO2 dan mediator tergantung pada bahan pelarut yang digunakan serta keadaan TiO2. Arus yang dihasilkan sel surya TiO2 terkait langsung dengan jumlah cahaya yang diserap oleh dye, yaitu bergantung pada intensitas penyinaran dan jenis dye yang digunakan. Karakterisasi X-ray Diffraction (XRD) XRD dapat digunakan untuk mempelajari dan menentukan sistem kristal (kubik, tetragonal, heksagonal, dll) menentukan kualitas kristal (single kristal, polikristal, amourphous), menentukan simetri kristal, menentukan cacat kristal (dislokasi), mencari parameter kristal (parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel) dan analisis kimia.21 Prinsip dari alat XRD adalah sinar X yang dihasilkan dari suatu logam tertentu memiliki panjang gelombang tertentu, dengan memvariasikan besar sudut pantulan sehingga terjadi pantulan elastis yang dapat dideteksi. Maka menurut Hukum Bragg jarak antar bidang atom dapat dihitung dengan data difraksi yang dihasilkan pada besar sudut – sudut tertentu. Prinsip ini di gambarkan pada Gambar 7 di bawah ini.

kisi fraksi (diffraction gfafting), tetapi karena panjang gelombang sinar X yang pendek maka untuk dapat mendifraksikan sinar X harus menggunakan jalur yang letaknya sangat berdekatan dan memiliki kelenturan yang tinggi. Untuk menentukan parameter kisi dapat dilakukan dengan menggunakan Hukum Bragg.23 Sinar-X yang dipantulkan, dibiaskan dan diteruskan apabila melalui suatu bahan. Andaikan garis-garis S1 S1, S2 S2 dan S3 S3 seperti Gambar 8, mewakili bidang-bidang atom yang sejajar dengan permukaan hablur dan terpisah satu sama lain pada jarak d. Andaikan garis-garis AB dan A’B’ mewakili lintasan alur sinar-X pada panjang gelombang yang menuju ke bidang-bidang hablur pada sudut θ terhadap bidang dan masing-masing dipantulkan dalam arah BC dan B’C’. Supaya gelombang dari B’ dapat menguatkan gelombang yang dipantulkan dari B di CC’ , kedua gelombang harus sefasa.23 Dengan kata lain, beda lintasan antara gelombang A’B’C’ terhadap gelombang ABC harus merupakan kelipatan bulat panjang gelombang sinar-X itu, yakni :

Gambar 8 Pantulan sinar-X oleh bidang atom S1S1 dan S2S2 terpisah pada jarak d.24 (A’B’ + B’C’ )–(AB + BC) = nλ

Gambar 7 Prinsip XRD.

22

Sinar X adalah sinar elektromagnetik yang semestinya dapat didifraksikan oleh

Oleh karena DB’ = B’E = d sin θ, maka syarat di atas dipenuhi apabila : λn = 2d sin θ

(5)

8

Keterangan : λ = panjang gelombang (m) d = jarak antara bidang (m) θ = sudut difraksi Dengan mengetahui sistem kristal pada sel surya TiO2 adalah tetragonal maka jarak antara bidang-bidang yang berdekatan yang disusun dalam indeks miller (hkl) adalah 1 h2 k 2 l 2 = + 2 d2 a2 c

(6)

a = b ≠ c, dengan a, b dan c, adalah parameter kisi dan h,k,l adalah indeks miller. Untuk menentukan ukuran kristal diperoleh dari persamaan : (7) Dengan k adalah konstanta sebesar 0.89; λ adalah panjang gelombang sumber sinar-X (dalam hal ini Cu kα sebesar 1.542 Ǻ), dan β adalah setengan lebar puncak difraksi (dalam satuan radian). Karakterisasi Spektrum Serapan Jika radiasi elektromagnetik melalui suatu materi dan pada materi tersebut terjadi serapan selektif maka pada materi tersebut akan terjadi penyerapan komponen radiasi pada panjang gelombang yang berbeda sesuai spektra sinar dan dalam

jumlah yang berbeda pula. Perubahan tingkat serapan sebagai fungsi dari panjang gelombang tersebut sebagai spektrum serapan. Spektrum serapan merupakan karakteristik kualitas suatu bahan, tingkat serapan suatu cahaya pada panjang gelombang tertentu dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu sampel.23 Dasar penentuan kualitatif metode spektrofotometri adalah hukum Beer:

I

I o exp( cl)

(8)

sehingga diperoleh :

A log

Io I

cl

(9)

A adalah absorbansi sampel, Io adalah intensitas tanpa serapan. I adalah intensitas cahaya yang keluar lewat sampel.  adalah ketebalan lapisan larutan sampel (cm), ε adalah koefisien serapan molekul dan c adalah konsentrasi (molaritas). Karakteristik Arus – Tegangan Sel Surya Karakteristik sel surya ditentukan oleh beberapa faktor antara lain efisiensi sel surya (η) dan stabilitas dari sel surya tersebut. Efisiensi sel surya merupakan aspek yang menjadi perhatian utama dalam sel surya.11 Hal ini dapat ditunjukan melalui kuantitas arus dan tegangan. Kurva karakterisasi arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya ditunjukkan oleh Gambar 9.

Gelap

Disinari cahaya Gambar 9 Kurva karakteristik arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya.25

9

Hubungan arus dan tegangan sel surya p-n dalam semikonduktor dalam keadaan tanpa cahaya, sama dengan karakteristik arus-tegangan sebuah dioda ideal, dapat dinyatakan dalam persamaan berikut

Voc

nkT q

ln

I ph I0

(12)

sedangkan pada rangkaian pendek (short circuit), ketika V = 0, sehingga diperoleh Iph=Isc, dengan Isc merupakan arus pada rangkaian pendek (short circuit current). Rangkaian pengukuran karakterisasi arus tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 10. Tegangan terbuka (Voc) terjadi ketika reostat berada pada posisi maksimum, sehingga tidak ada arus yang mengalir melalui reostat (I = 0). Untuk pengukuran tegangan terbuka Gambar 10 (a) seolah menjadi Gambar 10 (b). Arus rangkaian pendek terjadi ketika reostat berada pada posisi minimum sehingga tidak ada arus yang mengalir melalui voltmeter.

(10) Pada saat sel surya terkena cahaya, maka akan dihasilkan arus foto yang terjadi karena pembangkitan elektron oleh cahaya dengan energi tertentu. Sehingga persamaan (10) dapat ditulis menjadi : (11) Iph adalah arus foto, I0 adalah arus saturasi pada kesetimbangan, V adalah tegangan bias dan n adalah faktor dioda karena adanya penyimpangan dari dioda ideal. Tegangan yang diukur pada rangkaian terbuka, (open circuit) ketika I=0, disebut tegangan rangkaian terbuka (Voc), yaitu :

Sel surya

Reostat V R

V Rangkaian pengukur arus

Gambar 10 Rangkaian pengukuran karakterisasi arus-tegangan sel surya.26

Sel surya V

Voc

Rangkaian terbuka

Gambar 11 Rangkaian pengukuran tegangan pada rangkaian terbuka [Voc].26

BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari sampai Mei 2011. Bertempat di Laboratorium Fisika Material dan Biofisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Karakterisasi XRD dilaksanakan di BATAN, Serpong. Alat dan Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah substrat transparant conductive oxide (TCO), TiO2 nanokristal (Degussa P25), asetilaseton (MERCK), Triton X-100 (MERCK), aquades, asetonitril (MERCK), HCl 45%, CuSCN, strawberry, etanol, aseton, aluminium foil dan scotch adhesive tape. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah mikrovoltmeter digital, amperemeter digital, gelas ukur, gelas piala, rod glass, magnetic stirrer, hot plate, furnace, termometer digital, lampu merkuri 400 watt, XRD, spectrophotometer UV-VIS, power supply, kertas tisu, kertas saring, mortar, penumbuk dan neraca digital. Metode Penelitian Pembuatan lapisan TiO2 Metode yang digunakan pada pembuatan koloid TiO2 adalah “doctor blade technique” atau metode casting. Pembuatan koloid TiO2 dilakukan dengan mencampurkan 0,5 gram TiO2 bubuk nanokristal dengan 0,5 ml aseton dan satu tetes Triton X-100, larutan tersebut ditambahkan aquades 0,3 ml kemudian digerus secara perlahan hingga menjadi bentuk koloid. Larutan TiO2 koloid dideposisikan pada substrat TCO yang sudah dicuci dengan sabun dan dibilas dengan etanol dan aseton. Selanjutnya pada ke dua sisi TCO yang berhadapan ditutup

dengan scotch tape kurang lebih 1-2 mm dan pada kedua sisi lainnya ditutup kurang lebih 5-6 mm, sehingga bagian TCO yang dikosongkan memiliki luas penampang (1,1 x 0,9) cm2 dan (0,9 x 0,9) cm2. Setelah itu larutan TiO2 didistribusikan secara merata di atas substrat TCO dengan menggerakkan batang gelas di atas substrat TCO. Kemudian di keringkan di udara dan setelah satu menit scotch tape dikeluarkan (dibuka) dengan hati-hati. Lapisan dipanaskan pada suhu 300 C selama 30 menit dan didinginkan pada suhu ruang. Hasil deposisi TiO2 tersebut kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD untuk mengetahui struktur kristal sampel. Jika struktur kristal tidak sesuai dengan yang diharapkan, maka proses pembuatan lapisan TiO2 diulang lagi. Pembuatan larutan dye antosianin Larutan dye antosianin dibuat dengan menempatkan 20 gram strawberry segar yang telah dipotong-potong kecil ke dalam sebuah mortar, kemudian ditumbuk hingga halus. Hasil tumbukan yang telah halus kemudian direndam (maserasi) di dalam pelarut yang terdiri dari 50 ml metanol + 8 ml asam asetat + 42 ml aquades selama 24 jam. Selama perendaman larutan dye antosianin harus disimpan di tempat gelap. Setelah direndam selama 24 jam, lalu larutan dye antosianin disaring menggunakan kertas saring ke dalam botol berwarna gelap atau botol yang telah dilapisi aluminium foil. Kemudian larutan dye antosianin dikarakterisasi untuk mengetahui panjang gelombang serapannya. Pembuatan polimer elektrolit CuSCN Elektrolit padat berupa CuSCN dideposisi dengan metode casting. Mulamula 50 ml asetonitril dicampur dengan 0,1 ml HCl 34%. Kemudian diambil 12 ml dari larutan tersebut lalu dimasukkan 0,025 gram bubuk CuSCN sehingga terbentuk larutan CuSCN. Kemudian ditambahkan

11

polimer polyethynolglycol sampai larutan CuSCN mengental. Agar berbentuk lapisan polimer CuSCN, digunakan teknik casting yaitu larutan polimer CuSCN tersebut dideposisi pada lapisan TCO/TiO2/dye kemudian didinginkan pada suhu ruang. Pembuatan prototipe sel surya Lapisan TiO2 yang telah terbentuk direndam di dalam larutan dye sensitizer antosianin selama 24 jam untuk sampel 1 dan 48 jam untuk sampel 2, kemudian dideposisi dengan elektrolit polimer CuSCN sampai merata ke seluruh bagian substrat. Substrat didinginkan dalam suhu ruang sampai kering. Sel surya ini kemudian dihubungkan dengan rangkaian pengukur karakterisasi I-V. Karakterisasi XRD Karakterisasi X-ray diffraction (XRD) dilakukan untuk mengetahui struktur kristal lapisan TiO2. Selanjutnya digunakan untuk menghitung nilai parameter kisi dan ukuran partikel. Karakterisasi absorbansi Karakterisasi absorbansi dilakukan dengan menggunakan alat UV-VIS GenesysTM 10 series spectrophotometers untuk mengetahui daerah serapan dye terhadap cahaya. Karakterisasi arus-tegangan Pengukuran arus-tegangan sel surya dilakukan dengan menggunakan Keithly 2400 source meter. Tegangan bias yang diberikan dipindai dari -10 Volt hingga +8 Volt.

HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi XRD Lapisan TiO2 Lapisan TiO2 yang telah dibuat dikarakterisasi menggunakan sumber cahaya Cu dengan tegangan 30 kV dan arus 30 mA di Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Bahan (P3IB) Badan Teknologi Nuklir Nasional, Serpong. Hasil analisis XRD ditampilkan pada Gambar 12. Hasil karakterisasi XRD tersebut menunjukkan bahwa lapisan TiO2 telah terdeposisi pada substrat TCO. Dari puncak-puncak yang muncul, terlihat bahwa telah terbentuk kristal TiO2 anatase dan rutile. Dapat dilihat bahwa puncak yang

paling banyak dimiliki oleh fase anatase, yakni pada sudut 2θ sekitar 25o, 36o, 37o, 38o, 47o, 54o, 62o, 68o, 70o dan 740 yang bersesuaian dengan orientasi bidang pada (101), (103), (004), (112), (200), (211), (213),(116), (220) dan (107) sesuai data JCPDS No. 21-1276 pada Lampiran 3. Sedangkan, fase rutile bisa dilihat dari sudut 2θ selain nilai-nilai tersebut di atas, diantaranya sekitar 27o, 36o, 41o dan 54o yang bersesuaian dengan orientasi Kristal (110), (101), (111) dan (211) sesuai dengan data JCPDS No. 21-1272 pada Lampiran 4. Adanya puncak yang lain pada hasil XRD dimungkinkan ada unsur lain yang masuk pada saat pendeposisian lapisan TiO2.

Gambar 12 Hasil karakteristik XRD TiO2. Karakterisasi XRD juga dapat menentukan parameter kisi sampel TiO2. TiO2 anatase memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90 . Untuk menentukan parameter kisi dari sampel TiO2 digunakan metode Cohen Persamaan (7), cara perhitungannya dapat dilihat pada Lampiran 5. Nilai parameter kisi yang didapat adalah a = 3.701 Ǻ dan c = 9.238 Ǻ. Nilai parameter kisi dari literatur adalah a = 3.785 Ǻ dan c = 9.513 Ǻ. Dari hasil yang diperoleh sampel TiO2 dengan literatur, ternyata sampel TiO2

memiliki parameter kisi yang lebih kecil. Hal ini menunjukkan bahwa bidang tetragonal kristal sampel memiliki volume yang lebih kecil bila dibandingkan dengan literatur, berdasarkan hasil perhitungan diperoleh volume untuk sampel sebesar 126,54 Å3 dan untuk literatur sebesar 136,25 Å3. Hal ini berarti kerapatan dari sampel lebih kecil daripada yang terdapat di literatur sehingga daerah permukaan serapan dye-nya lebih baik karena terdapat banyak rongga.

13

Ukuran kristal bisa diamati secara kasar dari bentuk puncak pada kurva XRD. Jika bentuk puncak semakin lebar, menandakan ukuran kristal semakin kecil. Puncak yang teramati dari sampel TiO2 relatif lebar sehingga ukuran kristal dari partikel TiO2 pada bubuk ini relatif kecil. Perhitungan nilai ukuran kristal dengan menggunakan persamaan (7) sehingga didapatkan nilai sebesar 37.344 nm. Dalam aplikasi sel surya TiO2 tersensitisasi dye, ukuran partikel TiO2 berskala nanometer ini memiliki kelebihan dapat menampung dye lebih banyak karena terdapat banyak rongga di dalam lapisan TiO2. Sebaliknya jika ukuran partikelnya besar hanya terdapat sedikit rongga sehingga hanya menampung sedikit dye dan efisiensi yang dihasilkan lebih kecil dari yang berskala nanometer. Hal ini karena foton yang diserap dan pasangan elektron hole yang dihasilkan menjadi sedikit. Karakterisasi Optik Dye Antosianin dan Lapisan TiO2 Karakterisasi absorbansi diuji sifat absorbansinya dengan menggunakan spectrophotometer pada rentang panjang gelombang 420-720 nm. Hasil karakterisasi serapan dye antosianin dapat dilihat pada Gambar 13. Hasil karakterisasi absorbansi terhadap panjang gelombang untuk ekstrak buah strawberry menunjukkan bahwa daerah serapan pada 451-623 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741. Hal ini berarti terkandung senyawa antosianin di dalamnya menyerap cahaya maksimum dalam daerah spektrum hijau (500-575 nm). Antosianin adalah zat utama pada buah-buahan yang sering digunakan sebagai dye pada aplikasi sel surya tersensitasi dye. Oleh karena itu, ekstrak buah strawberry cukup potensial digunakan sebagai dye jika dilihat dari karakteisasi absorbansinya. Panjang gelombang serapan

maksimum ( max) dye antosianin dipengaruhi oleh adanya ion logam yang akan diikat oleh dye antosianin seperti aluminium, besi, timah, titanium, krom dan uranium, yang mengakibatkan warna dye berubah. Sedangkan nilai absorbansi dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan yang terjerap (teradsorpsi) pada permukaan TiO2, dimana kandungan antosianin sebanding dengan cahaya yang diserap (absorbansi). Hasil karakterisasi absorbansi menunjukkan bahwa panjang gelombang pada lapisan TiO2 menunjukkan pada rentang 426.99-624.61 nm dengan maksimum pada panjang gelombang 426.99 nm dengan nilai absorbansi 1.677. Sedangkan panjang gelombang untuk ekstrak buah strawberry pada lapisan TiO2 adalah 428.01-624.61 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 428.01 nm dengan nilai absorbansi sebesar 1.808. Hal ini berarti ekstrak buah strawberry pada lapisan TiO2 menyerap cahaya maksimum dalam daerah spektrum biru (410-500 nm) dan artinya dengan penambahan dye antosianin pada lapisan TiO2 dapat meningkatkan nilai panjang gelombang dan daya absorbansinya. Analisis spektrum memperlihatkan bahwa kurva serapan untuk dye antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran bila dibandingkan dengan kurva serapan untuk larutan dye antosianin. Hal ini disebabkan warna dye antosianin yang berubah setelah jerapan (adsorpsi) pada lapisan TiO2. Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor dye dari antosianin dengan Ti dari TiO2, dimana sebuah ion OH- dari Ti berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul H2O. Jerapan (adsorpsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit mengandung bentuk flavilium.

14

Gambar 13 Spektrum absorbansi. Karakterisasi I-V n-TiO2 /dye/p-CuSCN Karakterisasi I-V dimulai dengan menguji nilai arus dan tegangan yang keluar dari kedua sampel yang telah dibuat menggunakan sumber cahaya matahari. Arus dan tegangan yang keluar dari sampel 1 dan 2 berturut-turut adalah 0.36 µA dan 199 mV; 0.40 µA dan 219 mV, seperti dapat dilihat pada Tabel 3. Nilai arus dan tegangan pada sampel 2 lebih besar dibandingkan pada sampel 1, hal tersebut dikarenakan faktor lamanya perendaman dalam dye. Semakin lama perendaman, semakin banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk menyerap cahaya pun semakin tinggi. Namun arus yang dihasilkan masih kecil dikarenakan elektron yang tereksitasi dari dye ketika terjadi penyerapan cahaya hanya sedikit yang terakumulasi pada substrat TCO. Hal ini disebabkan karena masih banyak terjadinya rekombinasi prematur.

tidak linier dan tidak simetri menunjukkan bahwa pada sel terbentuk potensial penghalang yang dapat menghambat aliran muatan. Pada Gambar 14 juga menunjukkan bahwa kedua sampel yang dibuat lebih bersifat fotovoltaik dibandingkan fotokonduktif.

(a)

Tabel 3 Voc dan Isc. Sampel 1 2

Voc (mV) 199 219

Isc (µA) 0.36 0.40

Karakterisasi I-V yang kedua menggunakan alat Keithly 2400 source meter yang hasilnya dapat dilihat pada Gambar 14. Distribusi arus-tegangan yang

(b) Gambar 14 Karakteristik I-V (a) sampel 1, (b) sampel 2.

15

Pada Gambar 14 dapat dilihat juga bahwa sampel 2 memiliki kenaikan arus yang lebih besar pada bias maju 2 volt yakni 0.3 mA sedangkan pada sampel 2 sebesar 4 mA, hal ini menunjukkan sampel 2 memiliki sensitivitas terhadap cahaya yang lebih tinggi dibandingkan sampel 2. Rendahnya kenaikan arus pada sampel 1 dibandingkan dengan sampel 2 dapat diakibatkan oleh beberapa faktor, yaitu lama perendaman, semakin berkurangnya lapisan dye dan ketebalan lapisan TiO2. Penggunaan dye antosianin dari ekstrak buah strawberry juga masih kurang baik karena daerah serapannya yang tidak lebar sehingga cahaya polikromatik dari lampu tidak dapat diserap maksimal. Dengan kurang luasnya daerah serapan menyebabkan foton yang diserap semakin kecil sehingga arus yang dihasilkan kecil. Kedua kurva dari sampel yang telah dibuat menunjukkan kenaikan arus ketika diberikan potensial maju, hal ini terjadi karena pada saat tegangan bias mundur yang dipasang semakin mengecil (-10 ke 0 volt), maka potensial penghalang pada persambungan akan menurun sehingga menyebabkan pembawa mayoritas melintasi persambungan. Pembawa-pembawa ini akan meningkatkan arus maju dan menurunkan arus reverse ketika tegangan mendekati nol. Adanya penyinaran oleh cahaya pada permukaan sampel akan meningkatkan pasangan elektron-hole di daerah persambungan TiO2/dye/CuSCN. Pasangan electron-hole akan terpisah oleh medan listrik yang kemudian akan berkontribusi terhadap peningkatan arus foto, sehingga yang terlihat pada Gambar 14 adanya peningkatan arus ketika sel disinari dibandingkan dengan gelap. Kualitas sampel sel surya yang dibuat dapat dilihat dari respon dinamik sel terhadap cahaya intensitas tinggi dan kestabilan tegangan sampel ketika sampel disinari cahaya yang ditunjukkan oleh Gambar 15 untuk sampel perendaman 24 jam dan Gambar 16 untuk sampel perendaman 48 jam. Pada Gambar 16

kenaikan tegangan terhadap intensitas yang lebih tinggi dibandingkan pada Gambar 15.

Gambar 15 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 1 terhadap cahaya.

Gambar 16 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 2 terhadap cahaya. Terjadinya perbedaan pada kedua sampel dapat disebabkan oleh perbedaan karakteristik sampel dalam merespon cahaya, yakni ada sampel yang sensitivitasnya tinggi terhadap cahaya intensitas rendah, tetapi ada juga sampel yang mulai merespon cahaya jika intensitasnya tinggi. Hal ini juga dapat dipengaruhi oleh sedikitnya eksiton yang dibangkitkan dan rendahnya jumlah muatan yang sampai di elektroda ketika sel disinari oleh cahaya intensitas rendah. Sedikitnya

16

muatan yang sampai di elektroda, dapat disebabkan oleh panjangnya lintasan difusi muatan, sehingga banyak muatan yang berekombinasi sebelum sampai di elektroda. Karakteristik CuSCN sebagai elektrolit padat sendiri mungkin kurang mendukung dalam proses kerja sel surya, dimana CuSCN kurang dapat membawa hole dari dye yang teroksidasi ke elektroda lawan atau hanya sedikit hole yang dibawa sehingga terjadi rekombinasi prematur yang sangat tidak diharapkan. Kelemahan sel surya organik adalah kestabilan tegangannya rendah dan terjadi penurunan tegangan yang cepat pada kondisi penyinaran. Hal tersebut juga terjadi pada sampel yang dibuat seperti ditunjukkan pada Gambar 15 dan 16, pada gambar tersebut kestabilan tegangan rendah. Parameter-parameter fotovoltaik yang terukur sangat dipengaruhi oleh masing-masing struktur lapisan aktif penyusun sampel. Ketebalan lapisan yang terlalu besar dengan struktur permukaan yang tidak homogen dapat memperbesar hambatan internal sel, sehingga dapat mengurangi mobilitas muatan yang melintasi sel.

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Pada penelitian ini telah dibuat prototipe sel surya TiO2 dengan menggunakan dye antosianin dari ekstrak buah strawberry dan polimer CuSCN. Hasil karakterisasi XRD TiO2 menunjukkan bahwa pada sampel TiO2 yang dibuat terbentuk kristal anatase dan rutile, tetapi yang paling dominan terbentuk adalah anatase. Parameter kisi dari sampel TiO2 adalah a = 3.701 Ǻ dan c = 9.238 Ǻ dan ukuran kristalnya adalah 37.344 nm. Dye antosianin dari ekstrak buah strawberry mempunyai daerah serapan optik 451-623 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741. Berdasarkan kurva arus-tegangan, sampel yang memiliki kenaikan arus yang lebih tinggi adalah sampel 2 yakni sampel dengan lama perendaman 48 jam. Sehingga dapat dikatakan bahwa semakin lama waktu perendaman dalam dye akan meningkatkan arus terhadap tegangan bias maju. Pada kurva arus tegangan juga menunjukkan bahwa sampel yang dibuat lebih bersifat fotovoltaik dibandingkan fotokonduktif yang ditunjukkan oleh tidak linier dan tidak simetri yang dihasilkan. Saran Pada penelitian selanjutnya disarankan agar mengontrol ketebalan masing-masing lapisan, yakni dengan mencari teknik deposisi yang lebih baik dan dapat dilakukan di ruang vakum sehingga kemungkinan masuknya unsur-unsur lain lebih kecil, karena ketebalan lapisan dapat mempengaruhi daya serap sampel. Untuk mengoptimalkan penyerapan cahaya sebaiknya digunakan dye yang mempunyai daerah serapan lebar dan lebih memvariasikan lama perendaman dye.

DAFTAR PUSTAKA 1.

Brian Y. Teknologi sel surya untuk sumber energi masa depan 2008. [terhubung berkala]. http://semangatbelajar.com/teknologisel-surya-untuk-sumber-energi-masadepan/ [10 November 2010].

2.

D.O, Agot, K.V.O. Rabah, T. Stephen Sathiarj. Alternative dyes for TiO2 thin film solar cells 2001. Journal of Technlogy; Volume : 10, 1-9

3.

Smestad GP. Nanocrystalline solar cell kit: Recreating photosynthaesis. Journal of Institut for Chemical Education 1998; 55.

4.

Soleh A. Pembuatan sel surya fotoelektrokimia titanium dioksida (TiO2) dengan ekstraksi klorofil daun bunga sepatu (Hibiscus rosasinensis L) sebagai dye sensitizer [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2002.

5.

Benjah.Anatase2007.[terhubungberkal a].http://en.wikipedia.org/wiki/File:An atase-unit-cell-3D-balls.png

6.

Benjah. Rutile 2007. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rutile e-unit-cell-3D-balls.png [10 November 2010].

7.

8.

Gunlazuardy J. Fotokatalisis pada permukaan TiO2 : Aspek Fundamental dan aplikasinya. Di dalam: Seminar Nasional Kimia Fisika II;Jakarta.: Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Indonesia. 2001. Olea, Alfredo, Georgina Ponce, P.J Sebastian. Electron transfer via organic dyes for solar conversion. Solar nnergy materials and solar cells. Journal of Institut for Chemical Education 1999;59, 137-143

9.

Kalyanasundaram, K., M. Gratzel. Applications of transition metal complexes in photonic and optoelectronic devices. Coordination Chemistry Reviews 1998; 77 page 347414.

10. Yudaswara E. Prototipe sel surya tersensitisasi dye menggunakan eletroda lapisan campuran nanokristal TiO2 – Ta2O5 dengan elektrolit padat berbasis polimer [Skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2005. 11. Mourad F. Prototipe sel surya tersensitisasi dye menggunakan elektroda TiO/ZnO dan CuSCN sebagai konduktor Hole [skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2005. 12. Schottenfeld J, R. S. Rarig Jr, J. Zubieta and R. L. LaDuca. Metalorganic compounds 2007; Volume 63 : Part 1, hal. 278-280. [terhubung berkala]. http://www.fysast.uu.se/molcond/conte nt/diploma-projects [9 November 2010]. 13. [Anonim]. Kandungan antosianin dalam ubi jalar 2009. [terhubung berkala].http://repository.usu.ac.id/bitst ream/123456789/16577/4/Chapter%20 II.pdf [10 November 2010]. 14. Timuda GE. Sintesis nanopartikel TiO2 dengan metode sonokimia untuk aplikasi sel surya tersensitisasi dye (dye sensotized solar cell – DSSC) menggunakan ekstrak kulit buah manggis dan plum sebagai photosensitizer [tesis]. Bogor : Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor; 2009.

19

15. Hao, S.C., Wu, J.H., Huan, Y., Lin, J. Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell. Solar Energy 2006; 80: 209-214. 16. Muchtadi TR, Sugiyono. Ilmu Pengetahuan Bahan Pangan 1989. Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Dirjen Pendidikan Tinggi, Pusat Antar Universitas Pangan dan Gizi, Institut Pertanian Bogor. Indonesia. 17. Hamlet P. Anthocyanins and thin layer chromatography 2003. Chem. 326. Lab Experimen. Pittsburgh State University Chemistry Department. 18. Mohtar. Prinsip kerja dye-sensitized solar sel 2009. [terhubung berkala]. http://1.bp.blogspot.com/_FWLmzOKc Xgk/SdyGd0rjaVI/AAAAAAAAAA4/ Mn02Om-zxRQ/s320/Struktur+DSSC [10 November 2010]. 19. Mohtar. How DSSC is work 2009. http://1.bp.blogspot.com/_FWLmzOKc Xgk/SdyGd0rjaVI/AAAAAAAAAA4/ Mn02Om-zxRQ/s320/Struktur+DSSC [10 November 2010]. 20. Prasetyaningrum H. Pembuatan dan karakterisasi prototipe sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN [Skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2004. 21. Cullity, B. D. Element of x-ray diffraction, 2nd Edition 1978. Addison– Wesley Publishing Company. 22. Purnomo, Chandra W. Difraksi2 2009. [terhubung berkala]. http://materialcerdas.wordpress.com/te ori-dasar/difraksi-2/ [10 November 2010]. 23. Rusdianto. Sel surya nanokristal TiO2 (Titanium dioxide) dengan ekstrak

antosianin kol merah (Brassica oleracea) sebagai dye sensitizer dan elektrolit padat berbasis polimer [skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2004. 24. Asmuni. Karakteristik pasir kuarsa (SiO2) dengan metode XRD 2002. [terhubung berkala]. http://repository.usu.ac.id/handle/1234 56789/1849 [20 November 2010]. 25. Lesmana TJ. Pembuatan dan karakterisasi sel surya hibrid ITO/CdS/Klorofil/PANI/ITO [tesis]. Bogor : Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor; 2009. 26. Sukmawati W. Pembuatan dan karakterisasi sel surya TiO2 tersensitisasi dye dengan elektrolit padat berbasis polimer [Skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2004.

LAMPIRAN

21

Lampiran 1 Diagram alur penelitian Persiapan alat dan bahan

Pembuatan lapisan TiO2

Karakterisasi XRD Pembuatan larutan dye Karakterisasi absorbans dye

Pembuatan elektrolit polimer dan larutan CuSCN

TIDAK

YA Perendaman dalam dye selama 24 jam (sampel 1) dan 48 jam (sampel 2)

Pembuatan sel surya

Karakterisasi I-V

Pengolahan dan analisis data

Penulisan laporan

Selesai

22

Lampiran 2 Data JCPDS kristal TiO2 fase Rutile

23

Lampiran 3 Data JCPDS kristal TiO2 fase Anatase

24

Lampiran 4 Deteksi puncak sampel TiO2 2-Theta 21.053 25.072 25.539 27.204 30.038 34.965 35.872 36.751 37.586 38.308 41.032 47.798 50.325 53.763 53.962 54.829 62.064 62.510 68.688 70.100 74.859

d(A) 4.2163 3.5487 3.4850 3.2753 2.9724 2.5641 2.5013 2.4435 2.3910 2.3476 2.1979 1.9013 1.8116 1.7036 1.6978 1.6730 1.4942 1.4846 1.3654 1.3413 1.2674

BG 50 54 59 49 39 26 28 31 27 20 19 18 16 17 21 23 16 17 20 18 14

Height 36 398 34 81 102 57 38 26 86 35 20 140 24 83 71 71 23 59 27 23 32

I% 9 100 8.5 20.4 25.6 14.3 9.5 6.5 21.6 8.8 5 35.2 6 20.9 17.8 17.8 5.8 14.8 6.8 5.8 8

Area 656 10090 1141 1472 1693 994 753 758 3241 1053 442 3661 561 3796 3601 2401 1756 2409 716 713 1605

I% 6.5 100 11.3 14.6 16.8 9.9 7.5 7.5 32.1 10.4 4.4 36.3 5.6 37.6 35.7 23.8 17.4 23.9 7.1 7.1 15.9

FWHM 0.31 0.431 0.571 0.309 0.282 0.296 0.337 0.496 0.641 0.511 0.376 0.445 0.397 0.777 0.862 0.575 1.298 0.694 0.451 0.527 0.853

25

Lampiran 5 Menentukan parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan metode Cohen dan Cramer Untuk menentukan parameter kisi kristal tetragonal digunakan persamaan

:

Σα sin2θ = CΣα2 + BΣαγ + AΣαδ Σγ sin2θ = CΣαγ + BΣγ2 + AΣγδ Σδ sin2θ = CΣαδ + BΣγδ + AΣδ2 Keterangan :

h,k,l adalah indeks Miller

A = d/10

α = h2+k2

B = λ2/(4c2)

δ = 10 sin22θ

C = λ2/(4a2)

2θ

θ

hkl

Sin22θ

Sin2θ

α

α2

γ

γ2

25.072

12.536

101

0.17957

0.047112

1

1

1

1

36.751

18.3755

103

0.358009

0.099378

1

1

9

81

37.586

18.793

004

0.372041

0.103781

0

0

16

256

38.308

19.154

112

0.384262

0.107655

2

4

4

16

47.798

23.899

200

0.548757

0.164127

4

16

0

0

54.829

27.4145

211

0.668203

0.211991

5

25

1

1

62.064

31.032

213

0.780522

0.265757

5

25

9

81

68.688

34.344

116

0.867907

0.318277

2

4

36

1296

70.1

35.05

220

0.884142

0.32981

8

64

0

0

74.859

37.4295

107

0.931777

0.369402

1

1

49

2401

Σ

141

4133

26

Lanjutan Lampiran 5 Menentukan parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan metode Cohen dan Cramer αγ

δ

δ2

γδ

αδ

αsin2θ

γsin2θ

δsin2θ

1

1.795698 3.224533 1.795698 1.7956985 0.047112 0.047112 0.084599

9

3.580091 12.81705 32.22082 3.5800906 0.099378 0.894405 0.355783

0

3.720409 13.84144 59.52654

8

3.842619 14.76572 15.37048 7.6852376

0

5.487567 30.11339

5

6.682025 44.64946 6.682025 33.410126 1.059953 0.211991 1.416527

45

7.805218 60.92143 70.24696

72

8.679067 75.32621 312.4464 17.358135 0.636554 11.45797 2.762346

0

8.841418 78.17067

49

9.31777

189

0

0

0

0

1.66049

0.386106

0.21531

0.43062

0.413677

0

0.900657

21.950268 0.656507 39.02609

1.328787 2.391817 2.074295

70.731341 2.638482

0

2.91599

86.82084 456.5707 9.3177701 0.369402 18.10071 3.442006 420.6507 954.8597 204.85476 7.051486 35.19512 14.75199

Dari tabel tersebut berdasarkan persamaan Untuk menghitung parameter kisi diperoleh matriks seperti berikut: 7.051486 35.19512 14.75199

141 C 189 C 204.8548 C

189 B 4133 B 954.8597 B

204.8548 A 954.8597 A 420.6507 A

Hasil akhir parameter kisi tetragonal menggunakan metode Cohen dan Cramer adalah :

Parameter kisi (tetragonal)

TiO2 a (Ǻ)

9.238342

c (Ǻ)

3.701085

Setelah dicari dengan menggunakan persamaan (7) didapatkan ukuran kristal sebesar 37.34419 nm.

27

Lampiran 6 Alat dan bahan yang digunakan selama penelitian

Voc dan Isc sampel 1

Voc dan Isc sampel 2

Output sensor tegangan

Strawberry

Penyaringan dye

Perendaman dalam dye

Komponen spectrophotometer

Komponen spectrophotometer

Sumber spectrophotometer

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM DIOKSIDA SENSITISASI DYE ANTOSIANIN DARI EKSTRAK BUAH STRAWBERRY

Recommend Documents