Prosiding Mathematics and Sciences dye Forumsensitized 2014 PEMBUATAN PROTOTIPE
solar cells...
ISBN 978-602-0960-00-5
35
PEMBUATAN PROTOTIPE dye sensitized solar cells (DSSC) BERBASIS NANOPORI TiO2 MEMANFAATKAN EKSTRAKSI ANTOSIANIN KOL MERAH (Brassica Oleracea Var)
Hendra Darmaja, Hardani, Muh Iman Darmawan, Cari, Agus Supriyanto Ilmu Fisika, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Email:
[email protected]
Abstrak Dye-sensitized solar cell (DSSC) merupakan seperangkat sel surya yang berbasis fotoelektrokimia, yang melibatkan transfer muatan listrik dari suatu fase ke fase lain. Pembuatan prototipe Dye-sensitized solar cell (DSSC) ini memanfaatkan antosianin kol merah (Brassica Oleracea Var). Penelitian ini bertujuan untuk membuat Dye-sensitized solar cell (DSSC) dan mengetahui efisiensi yang dihasilkannya. Dye-sensitized solar cell (DSSC) ini terdiri dari sepasang substrat kaca FTO ( Flour-doped in oxide ) yang saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai electroda dan counter electroda dan dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-/I3-), disusun saling mengapit membentuk wafer. Pada elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori, serta disensitasi dye antosianin kol merah. Sedangkan pada counter electroda dilapisi dengan lapisan platina. Ekstraksi antosianin kol merah dilakukan dengan perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades (30: 7: 30). Pada penelitian ini dilakukan variasi perendaman sel dalam larutan dye antosianin kol merah dengan lama perendaman masing-masing, 12 jam, 24 jam, dan 36 jam. Besar efisiensi DSSC yang dihasilkan dari antosianin kol merah pada saat perendaman 12 jam, 24 jam, 36 jam adalah 0,07%, 0,10%, dan 0,21%. Efisiensi tertinggi terdapat pada saat perendaman 36 jam. Kata kunci : Dye-sensitized solar cell (DSSC), Antosianin, TiO2, Efisiensi.
I.
PENDAHULUAN
Kebutuhan akan energi didunia sangatlah besar, di indonesia bahkan didunia sedang gencar-gencarnya para peneliti menemukan sumber energi alternatif, sebagai pengganti energi fosil. Salah satu energi alternatif adalah energi matahari. Energi matahari di indonesia khususnya jumlahnya sangat melimpah dan dikatakan cukup besar untuk dijadikan sebagai sumber energi alternatif. Untuk mewujudkan hal itu, maka dibutuhkan suatu sistem untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Salah satu pemanfaatan energi matahari adalah melalui penggunaan sel surya ( solar cell ), karna ini merupakan alternatif yang cukup menjanjikan. Michael Gratzel dan Berian O’Regan telah berhasil mengembangkan sistem sel surya yang dikenal dengan Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) pada tahun 1991 dan dikenal sebagai Gratzel Cells. [2.3] Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) merupakan sel surya yang dapat menkonversi energi matahari menjadi energi listrik.
DSSC merupakan sel surya fotoelektrokimia sehingga digunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO2, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan TiO2, dan katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca konduktif. Struktur DSSC nampak seperti Gbr 1.
Gbr 1. Struktur Dye-sensitized Solar Cell (DSSC)
36
[FISIKA]
Prinsip kerja DSSC diawali dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton dari keadaan ground state (S) menuju excited state (S*). Kemudian Energi dari foton tersebut cukup untuk menginjeksi elektron masuk ke pita konduksi dari TiO2 meninggalkan molekul dye ke keadaan oksidasi S+. Kemudian elektron mengalir menuju anode (elektroda negatif) melalui TiO2 dengan proses difusi. Selanjutnya melalui external load menuju katode (elektroda positif). Setelah itu Pada katode, elektron berpindah menuju triiodida pada elektrolit menghasilkan iodine. Dan Siklus dilanjutkan dengan reduksi dye oleh iodine pada elektrolit. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr 2.
Pada tumbuhan banyak senyawa-senya yang dapat digunakan sebagai dye, ini dibuktikan pada proses fotosintesis. Zat-zat tersebut ditemukan pada daun atau buah, yaitu antosianin, klorofil, dan xantofil. Peneliti telah membuktikan bahwa antosianin dapat tereksitasi dengan adanya penyinaran pada penerapan dyes. Antosianin sendiri adalah bagian dari senyawa fenol yang tergolong flavonoid. Antosianin merupakan pigmen memberikan warna pada tumbuhan yang paling penting dan tersebar luas seperti pada daun, batang, dan bunga [6,7]. Pada penelitian ini antosiani yang digunakan berasal dari ektrak kol merah (Brassica oleracea var). II.
METODOLOGI PENELITIAN
1. Bahan dan Alat Alat : Neraca digital, Pipet tetes, Gelas ukur, hotplate, magnetik stirel, Alumunium foil, Blender, kertas saring, sarung tangan, spin coater, UV Vis Spektrophotometer, Keithley. Bahan
Gbr 2. Prinsip Kerja DSSC[4]
: Bahan yang digunakan adalah ekstraksi dari antosianin kol merah, kaca FTO ( Flour-doped in oxide ) , Titanium dioxide (TiO2), etanol, metanol, asam asetat, aquades, Potassium Iodide (KI), Iodine (I2), Polyethylene Glycol (PEG), Platina, isolasi aluminium.
Cara kerja : DSSC tidak lepas dari Dye, oleh karnanya Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling tinggi yaitu jenis ruthenium compleks. Selain itu, dye-photosintezer merupakan faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC, misalnya sifat serapan fotosensitizernya, yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel surya. Dye berfungsi menyerap cahaya tampak, memompa elektron ke dalam semikonduktor, menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan, dan setrusnya dalam suatu siklus, sehingga dye berperan sebagai pompa elektron molekuler. Dye harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi, mempunyai serapan yang kuat di daerah cahaya yang tampak, stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam bentuk teroksidasinya. Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron.
1.
Persiapan
Sebelum melakukan pengujian dalam penelitian, hal yang pertama di lakukan adalah membersihkan alat-alat yang akan di pakai untuk mengekstraksi seperti mortar, botol, gelas kimia, tip, pipet tetes dan spatula. Pembersihan alat dilakukan dengan menggunakan cairan alkohol 96% untuk menghasilkan pembersihan yang lebih steril terhadap alat-alat yang akan di pakai. Hal yang terpenting juga adalah substrat yang akan dipakai yakni kaca konduktif Flourine Tin Oxide (FTO). Kaca tersebut dibersihkan dengan menggunakan ultrasonic cleaner. Permbersihan kaca di lakukan untuk mensterilkan sehingga terbebas dari materialmaterial yang tidak bisa di bersihkan dengan air biasa. Adapun pembersihan kaca substrat dilakukan dengan menuangkan Alkohol 96% sebanyak 250 ml, kemudian kaca FTO ukuran 3 x 3 cm dicelupkan ke dalam gelas kimia berisi Alkohol 96% dan pada ultrasonic
PEMBUATAN PROTOTIPE dye sensitized solar cells...
cleaner di isi dengan air biasa atau aquades sampai pada batas di atas 250 ml. selanjutnya gelas kimia berisi Alkohol dan telah tercelup dengan kaca FTO dimasukkan ke ultrasonic cleaner. Batas yang diberikan pada proses pembersihan yakni 5 menit, sampai kaca terlihat bersih dan steril, setelah batas waktu berakhir, kaca FTO di keringkan dengan hair drayer, begitu juga dengan alatalat yang di bersihkan yang lain.
37
jadi diteteskan sebanyak 3 tetes keatas kaca konduktif, lalu menekan tombol enter pada mesin spin coater sehingga mesin berputas sesuai dengan resep yang telah diatur pada mesin, setelah mesin berhenti kemudian pasta diangkat. Pada kaca FTO yang telah dilapisi TiO2 tersebut dipanaskan dengan suhu 500 0C selama ±60 menit. 3. Ekstraksi dye antosianin kol merah
2.
Pendeposisian pasta TiO2
Pada penelitian ini TiO2 akan di deposisikan dengan teknik lapisan tebal, dan TiO2 yang digunakan dalam penelitian ini adalah Titanium (IV) Oxide, nanopowder, 21 nm > 99,5% trace metals basis. Adapun langkahlangkah pendeposisian pasta TiO2 adalah:
1.
Menyiapkan kaca FTO (Flour-doped in oxide), kemudian mengukur resistensinya dengan menggunakan multimeter digital. Setelah itu kaca FTO di buat luasanya dengan perbandingan 2 x 1.5, kemudian pinggirnya diberikan isolasi aluminium.
Kol merah yang masih segar ditimbang sebanyak 30 gram, kemudian digerus dengan menggunakan mortar sampai halus dan dimasukkan kedalam erlenmeyer. Pelarut disiapkan berupa metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan (30: 7: 30) ml. Kemudian pelarut tersebut dicampurkan dengan ekstraksi antosianin kol merah dalam erlenmeyer selama 24 jam. Erlenmeyer kemudian dilapisi dengan aluminium foil, dan untuk ekstraksi antosianin disaring dengan menggunakan kertas saring, dan dimasukkan kedalam botol ditutup rapat dan dilapisi aluminium foil. [5] 4. Deposisi Dye ke Lapisan TiO2 Setelah prose ektraksi dye dari kol merah, ketan hitam dan beras merah sudah selesai, dan TiO2 yang telah di deposisikan ke FTO tersebut sudah menjadi lapisan, maka lapisan TiO2 tersebut kemudian di rendam kedalam larutan dye dengan variasi waktu 6 jam, 12 jam, 18 jam, dan sampai dengan 24 jam. [8] 5.
Gbr 3. Skema Deposisi TiO2 pada Kaca FTO.
2.
Menimbang TiO2 sebanyak 2 gram, dicampur dg laruran 4 ml etanol, kemudian di campur sampai homogen dengan magnetik stirel.
3.
Setelah TiO2 sudah jadi, kemudian dideposisikan ke atas kaca FTO dengan metode spin coating dengan posisi konduktif menghadap keatas. Setelah itu dinyalakan mesin kompresor, mesin penghisap udara, dan mesin spin coater secara bersamaan. Kemudian diatur mesin dengan putaran 500 RPM ( rotation per minute ) selama 15 detik dan 1000 RPM ( rotation per minute ) selama 30 detik. Kemudian pasta TiO2 yang telah
Preparasi Elektrolit
Larutan Elektrolit di buat dari Pottasium iodide (KI) sebanyak 8,3 gram dan (I2) sebanyak 1,26 gram dilarutkan ke dalam 100 ml polyethylene glycol 4000 ( PEG 4000) kemudian larutan diaduk, dan larutan elektrolit yang sudah jadi, disimpan dalam botol tertutup. [1] 6.
Preparasi Elektroda Lawan
Kaca FTO yang sudah di bersihkan dengan Etanol 96% kemudian di ukur resistensinya dengan menggunakan multimeter, kemudian kaca FTO di buat area denga ukuran 2 x 1.5 cm. Pada penelitian ini, conter electroda yang digunakan yakni Hexashloroplatinic ( IV ) acid Sol About 10% GR. Platina kemudian di larutkan dengan menggunakan Isopropanol yakni dengan perbandingan volume 1 ml
38
[FISIKA]
Hexashloroplatinic ( IV ) acid Sol About 10% GR dengan 207 ml Isopropanol. Kemudian diaduk atau di kocok sampai kedua bahan tersebut benar-benar tercampur. Setelah campuran jadi, kemudia kaca FTO yang sudah di sterilkan dipanaskandan di teteskan dengan larutan Platina tersebut sebanyak 6 ml. 7.
Perakitan DSSC
Pada tahap perakitan, komponen-komponen yang telah selesai di preparasi dan berhasil di buat kemudian di susun dengan struktur Sanwich dengan langkah-langkah sebagai berikut : a. b. c.
d.
Lapisan TiO2 yang telah di rendam larutan Dye dengan pariasi waktu 12 jam, 24 jam, dan 36 jam. Elektroda Lawan ( Conter Electroda ) di tumpukkan di atas Elektroda Kerja. Masing-masing ujung di beri offset sebesar 0,3 cm untuk kontak elektrolit, kemudian struktur Sel Sanwich dijepit dengan clipboard pada kedua sisi agar tidak terlepas. Untuk mencegah terjadi Shot Contact, maka di antara kedua elektroda disisipi Spacer dari bahan isolator.Seperti pada Gbr 3
Optik untuk mengetahui tingkat Absorbansi. Adapun untuk menguji tingkat Absorbansi dari Larutan Dye tersebut menggunakan alat Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 dengan panjang gelombang yang digunakan antara 100 - 800 nm. 10. Pengujian Karakteristik I-V DSSC Setelah semua tahapan telah selesai, maka yang terakhir di lakukan adalah pengujian Karakteristik I-V DSSC yang telah dirangkai. Sel surya diuji elektriknya dengan sistem pengukuran Keithley 2602A untuk pengujian dalam ruang dengan cahaya OHP III. 1.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Uji Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 pada Dye Kol Merah
Pengukuran spektrum absorbansi antosianin dilakukan dengan cara mengambil Dye yang direndam selama 12 jam, kemudian dye yang direndam selama 24 jam, dan dye yang direndam selama 36 jam, dengan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan ( 30 : 7 : 30 ) ml, kemudian setiap waktu perendaman diukur dengan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 dengan panjang gelombang yang digunakan antara 100-800 nm. Berdasarkan hasil uji Uji Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 pada Antosianin Dye Kol Merah yakni pengukuran spektrum absorbansi dari masing-masing waktu perendaman ditunjukkan pada Gbr dibawah ini : B
Grafik Absorbansi Kubis 12 Jam 8
6
Gbr 4. Struktur DSSC 8.
Pengisian Elektrolit pada DSSC
Larutan elektrolit yang sudah di buat kemudian di teteskan sebanyak 2 tetes di antara kedua ruang elektroda. 9.
Pengujian Sifat Optik
Sebelum Peneliti menguji karakteristik I-V DSSC, terlebih dahulu di uji sifat Optik dari larutan Dye yang telah di ekstraksi dan di larutkan dengan pelarut metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan 30 : 7 : 30 dengan tujuan yakni Pengujian sifat
B
4
2
0
-2 100
200
300
400
500
600
700
800
900
A
Gbr 5. Grafik Absorbansi Kol M 12 Jam
39
PEMBUATAN PROTOTIPE dye sensitized solar cells...
B
Current Gelap Current Terang
Grafik Absorbansi Kubis 24 Jam 8
-1.5
Data Kol Merah 24 Jam -1
-0.5
0 0.004
0.5
1
1.5
0.5
1
1.5
6
0.003 4
B
0.002 2
0.001 0
-2 100
-1.5
200
300
400
500
600
700
800
-1
-0.5
0 -0.001
900
A
-0.002
Gbr 6. Grafik Absorbansi Kol M 24 Jam
-0.003
Gbr 9. Hasil uji Keithley Kol Merah 24 Jam B
Grafik Absorbansi 36 Jam 20
Current Gelap Current Terang
15 10
-1.5
Grafik Kol Merah 36 Jam -1
-0.5
0 0.02
0.5
1
1.5
0.5
1
1.5
B
5
0.015
0 -5
0.01
-10
0.005
-15 -1000
-500
0
500
1000
1500
-1.5
-1
-0.5
0
A
-0.005
Gbr 7. Grafik Absorbansi Kol M 36 Jam
-0.01 -0.015
Berdasarkan Gbr 5, 6, dan 7, Absorbansi dye kol merah menunjukkan panjang gelombang yang cukup besar, dengan memiliki kemampuan absorbansi yang cukup bagus, sehingga dapat dimungkinkan kol merah ini mampu menyerap energi sinar matahari yang baik dan mampu memaksimalkan kinerja dari DSSC. 2.
Karakteristik Arus dan Tegangan
DSSC diuji elektriknya dengan sistem pengukuran Keithley 2602A untuk pengujian dalam ruang dengan cahaya OHP. Hasil pengujian arus dan tegangan dengan variasi perendaman 12 jam, 24 jam, dan 36 jam, terlihat pada Gbr dibawah ini : Current Gelap Current Terang -1.5
Kol Merah 12 Jam -1
-0.5
0 0.004
0.5
1
1.5
0.5
1
1.5
Gbr 10. Hasil uji Keithley Kol Merah 36 Jam Berdasarkan grafik diatas dapat ditentukan arus ( Isc ) dan tegangan ( Voc ). Sehingga berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan hasil efesiensi dari ekstrak kol merah dengan perendaman 12 jam, 24 jam, dan 36 jam, ditunjukkan pada tabel dibawah ini: Tabel 1. Data Efisiensi Kol merah pada perendaman 12 jam, 24 jam, dan 36 jam Lama Perendaman Bahan
Kol Merah
Efisiensi 12 Jam
Efisiensi 24 Jam
Efisiensi 36 Jam
0,07%
0,10%
0,21%
0.003 0.002 0.001
-1.5
-1
-0.5
0 -0.001 -0.002 -0.003
Gbr 8. Hasil uji Keithley Kol Merah 12 Jam
Dari tabel 1. Dapat dilihat bahwa efisiensi yang dihasilkan DSSC untuk kol merah yang direndam selama 12 jam, 24 jam, dan 36 jam, menunjukkan hasil bahwa efisiensi untuk waktu perendaman selama 36 jam, menghasilkan efisiensi yang paling besar, sedangkan untuk efisiensi yang paling kecil dihasilkan dengan waktu perendaman selama12 jam. Ini menunjukkan bahwa hubungan antara lama waktu perendaman dengan hasil efisiensi saling mempengaruhi,
40
[FISIKA]
dimana semakin lama waktu perendaman, maka efisiensi yang dihasilkan semakin besar. IV.
KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan dapat disimpulkan bahwa: 1. Kol merah (Brassica Oleracea Var) memiliki nilai panjang gelombang yang cukup bagus, sehingga dapat digunakan sebagai pewarna alami dalam DSSC. 2. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa adanya hubungan antara lama perendaman dengan hasil efisiensi yang dihasilkan, semakin lama perendaman maka, hasil efisiensi yang dihasilkan semakin besar. Terlihat pada efisiensi perendaman 36 jam, memiliki efisiensi yang paling besar yakni 0,21%, dan 0,07% untuk waktu perendaman selama 12 jam. V.
Grätzel, Michael, 2005. Photovoltaic performance and long-term stability of dye-sensitized meosocopic solar cells. C.R. Chimie 9 (2006) 578–583.
[4].
J.Halme, 2002. “Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary test”, Thesis, Helsinky University of Technology, Department of Engineering Physics and Mathematics,.
[5].
Maddu, Akhiruddin., Mahfuddin Zuhri, dan Irmansyah. 2007. Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah Sebagai Fotosensitizer Pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye. Bogor: Institut Pertanian Bogor. Jurnal Makara, Teknologi, Vol. 11, No. 2, 78-84
[6]
Prasanta Kumar Das, Bang Geul, SangBong Choi, Sang-Dong Yoo, Youn-II Park, 2011, Photosynthesis - dependent anthocyanin pigmentation in arabidopsis, Plant Signaling & Behavior 6:1.
[7]
Vitriany Ekasari, Gatut Yudoyono, 2013, Fabrikasi DSSC dengan Dye Ekstrak Jahe Merah (Zingiber Officinale Linn Var. Rubrum) Variasi Larutan Ti02 Nanopartikel Berfase Anatase dengan Teknik Pelapisan Spin Coating, Jurnal Sain dan Seni POMITS Vol. 2, No.1.
[8]
Ying Li, Shu-Hao Ku, Shen-Meng Chen, M. Ajmal Ali, Fahad M. A. AlHemaid (2013). “Photoelectrochemistry for Red Cabbage Extract as Natural Dye to Develop a Dye-Sensitized Solar Cells”, International Journal of ELECTROCHEMICAL SCIENCE. Vol. 8, 1237 – 1245
UCAPAN TERIMAKASIH
Kepada Program hibah Pascasarjana Ilmu Fisika Universitas Sebelas Maret Surakarta No.301A/UN27/PN/2014 dan Laboratorium Fisika Material Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta. VI.
REFERENSI
[1]. Ferri Rusady Saputra, Ferdy Semuel Rondonuwu, Adita Sutresno. 2013. Pemanfaatan Ekstrak Antosianin Kol Merah (Brassica Oleracea var) sebagai Dye Sensitized dalam Pembuatan Prototipe Solar Cell (DSSC). Salatig: Fakultas Sains dan Matematika, UKSW. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains VIII, Vol 4, No.1, ISSN: 2087-0922 [2].
[3].
Grätzel, Michael, 2003. DyeSensitisedSolar Cells, journal of Photochemistryand Photobiology. Vol.4, 145-153.
http://www.ise.fhg.de/areas-of-business-andmarket-areas/solar-cells/dye-andorganic-solar-cells/manufacturing-ofdye-solar-cells/manufacturing-of-dyesolar-cells
