PENGEMBANGAN COUNTER ELECTRODE BERBASIS CARBON NANOTUBE DENGAN METODE SPRAY-COATING UNTUK APLIKASI SEL SURYA DYE-SENSITIZED TESIS

PENGEMBANGAN COUNTER ELECTRODE BERBASIS CARBON NANOTUBE DENGAN METODE SPRAY-COATING UNTUK APLIKASI SEL SURYA DYE-SENSITIZED

TESIS

Mirza Nur Hidayat 0806421275

UNIVERSITAS INDONESIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA DEPOK JULI 2011

Pengembangan counter..., Mirza Nur Hidayat, FMIPA UI, 2011

PENGEMBANGAN COUNTER ELECTRODE BERBASIS CARBON NANOTUBE DENGAN METODE SPRAY-COATING UNTUK APLIKASI SEL SURYA DYE-SENSITIZED

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains

Mirza Nur Hidayat 0806421275

UNIVERSITAS INDONESIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA DEPOK JULI 2011




KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan rahmatNya, saya dapat menyelesaikan tesis ini. Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Magister Sains Program Magister Fisika pada Program Pascasarjana Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia. Saya menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan tesis ini, sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan tesis ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada: (1) Prof. Dr. BEF da Silva, M.Sc., DEA dan Dr. Goib Wiranto, selaku pembimbing, yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan fikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan tesis ini; (2) Dr. Yunus Daud, selaku Ketua Program Magister Fisika; (3) segenap ibu dan bapak dosen beserta staf di lingkungan Departemen Fisika; (4) ibu Lia Muliani, ibu Lilis Retnaningsih, ibu Natalita Maulani Nursam, bapak Jojo Hidayat, bapak Shobih, para peneliti dan staf di Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, LIPI Bandung; (5) ibu, bapak, adik, kakak, dan keluarga; (6) teman-teman dan sahabat; (7) serta malaikat kecilku. Akhir kata, saya berharap Allah SWT berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga tesis ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Depok, 11 Juli 2011 Penulis



ABSTRAK

Nama : Mirza Nur Hidayat Program Studi : Fisika Judul : Pengembangan Counter Electrode Berbasis Carbon Nanotube dengan Metode Spray-Coating untuk Aplikasi Sel Surya DyeSensitized Counter electrode berbasis carbon nanotube (CNT) dengan metode spraycoating untuk aplikasi sel surya dye-sensitized telah dikembangkan. Larutan CNT di-spray di atas substrat TCO dengan menggunakan spray gun. Counter electrode dibuat 4 variasi spraying: 10x, 15x, 25x, dan 55x. Karakteristik I-V dan efisiensi sel dipengaruhi oleh ketebalan lapisan, luas area sentuh counter electrode dengan elektrolit, transmitans, dan sheet resistance counter electrode. Karakteristik I-V dan efisiensi sel terbesar didapat pada counter electrode dengan spraying CNT sebanyak 55x. Efisiensi sel terbaik hasil penelitian sebesar 1,90 %. Kata kunci : counter electrode, CNT, spray-coating, sel surya dye-sensitized

ABSTRACT

Name Study Programme Title

: Mirza Nur Hidayat : Physics : Development of Spray-Coated Carbon Nanotube Counter Electrode for Dye-Sensitized Solar Cells

Counter electrode based on carbon nanotube (CNT) by using spraycoating method for dye-sensitized solar cells have been successfully developed. CNT solution was sprayed on TCO substrate by using a spray gun. Counter electrode was made 4 variations of spraying: 10, 15, 25, and 55 times. The I-V characteristics and cell efficiency are influenced by thickness, touch area counter electrode with the electrolyte, transmittance, and sheet resistance of the counter electrode. The best I-V characteristics and efficiency of cells were obtained on 55 times of spraying of CNT counter electrode. The best efficiency of cells is about 1.90 %. Keywords : counter electrode, CNT, spray-coating, dye-sensitized solar cells


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ..………. …………………………………………….... HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ……………………………. HALAMAN PENGESAHAN ………………………………………………. KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH ……………..……….... HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ………………...……….... ABSTRAK ……………………….………………………………………….. DAFTAR ISI ……………….………………………………………………... DAFTAR GAMBAR …………….………………………………………….. DAFTAR TABEL …………………………………………………………… DAFTAR LAMPIRAN ……………………………………………………… 1. PENDAHULUAN ...…………………………………………………….... 1.1 Latar Belakang ………………………………………………………… 1.2 Perumusan Masalah …………………………………………………… 1.3 Tujuan Penulisan ………………………………………………………. 1.4 Batasan Masalah ……………………………………………………….. 1.5 Metodologi Penelitian …………………………………………………. 1.6 Sistematika Penulisan ………………………………………………….. 2. TINJAUAN PUSTAKA …………………………………………………. 2.1 Sel Surya Dye-Sensitized ………………………………………………. 2.1.1 Fotoelektrokimia ………………………………………………… 2.1.2 Sel Surya Dye-Sensitized ………………………………………… 2.1.3 Aliran Elektron Sel Surya Dye-Sensitized ……………………….. 2.1.4 Counter Electrode ……………………………………………….. 2.1.5 Karakteristik I-V dan Efisiensi Sel ………………………………. 2.1.6 Efisiensi Kuantum ……………………………………………….. 2.1.7 Depletion Capacitance dan Built-in Potential …………………... 2.2 Carbon Nanotube ……………………………………………………… 2.2.1 Struktur Carbon Nanotube ………………………………………. 2.2.2 Sifat Elektronik Carbon Nanotube ………………………………. 2.2.3 Pita Energi ……………………………………………………….. 2.3 Metode Spray-Coating ………………………………………………… 2.4 Instrumentasi dan Pengujian Sel Surya Dye-Sensitized ……………….. 2.5 Scanning Electron Microscope, Spectrophotometer, Four-Point Probe 2.5.1 Scanning Electron Microscope ………………………………….. 2.5.2 Spectrophotometer ………………………………………………. 2.5.3 Four-Point Probe ………………………………………………... 3. METODE PENELITIAN ……………………………………………….. 3.1 Preparasi Substrat Transparent Conducting Oxide (TCO) ……………. 3.2 Proses Screen Printing Photoelectrode ……………………………….. 3.2.1 Proses Pembuatan Screen ………………………………………... 3.2.2 Proses Printing …………………………………………………... 3.3 Proses Spray-Coating Counter Electrode ……………………………... 3.3.1 Proses Pembuatan Larutan Carbon Nanotube (CNT) ……………


i ii iii iv v vi vii ix xiii xiv 1 1 3 3 4 4 4 6 6 6 7 9 10 10 12 13 13 14 15 16 18 19 21 21 23 24 25 25 26 26 28 32 32

3.3.2 Proses Spray-Coating ……………………………………………. 3.4 Proses Pewarnaan ……………………………………………………… 3.5 Proses Assembling Sel Surya Dye-Sensitized ………………………….. 3.6 Karakterisasi Counter Electrode ………………………………………. 3.6.1 Karakterisasi Morfologi dan Ketebalan ….……………………… 3.6.2 Pengukuran Nilai Transmitans ...………………………………… 3.6.3 Pengukuran Sheet Resistance ……………………………………. 3.7 Pengukuran Depletion Capacitance dan Built-in Potential …………… 3.8 Karakterisasi I-V dan Efisiensi Sel Surya Dye-Sensitized ……………... 3.8.1 Metode Manual ………………………………………………….. 3.8.2 Metode Komputerisasi …………………………………………... 3.9 Inventarisasi Alat, Bahan, dan Parameter Proses Penelitian ………….. 3.10 Tempat dan Waktu Penelitian ………………………………………... 4. HASIL DAN ANALISIS ………………………………………………… 4.1 Preparasi Substrat Transparent Conducting Oxide (TCO) ……………. 4.2 Proses Screen Printing Photoelectrode ………………………………... 4.3 Proses Spray-Coating Counter Electrode ……………………………... 4.4 Proses Pewarnaan ……………………………………………………… 4.5 Proses Assembling Sel Surya Dye-Sensitized ………………………….. 4.6 Karakterisasi Counter Electrode ………………………………………. 4.6.1 Karakterisasi Morfologi ….……………………………………… 4.6.2 Pengukuran Ketebalan …………………………………………... 4.6.3 Pengukuran Nilai Transmitans …………………………………... 4.6.3 Pengukuran Sheet Resistance ……………………………………. 4.7 Pengukuran Depletion Capacitance dan Built-in Potential …………… 4.8 Karakteristik I-V dan Efisiensi Sel Surya Dye-Sensitized ……………... 5. KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………………….. 5.1 Kesimpulan ……………………………………………………………. 5.2 Saran …………………………………………………………………… DAFTAR REFERENSI …………………………………………………….


35 37 37 38 38 40 42 43 44 44 45 46 48 49 49 50 51 53 55 56 56 58 59 59 60 63 75 75 76 77

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

Gambar 2.2

Gambar 2.3

Gambar 2.4 Gambar 2.5

Gambar 2.6



Gambar 2.11

Gambar 2.12

Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 3.1

Detail bagian sel surya dye-sensitized. Sel terdiri atas TiO 2 dan dye sebagai photoelectrode; larutan elektrolit; serta counter electrode. Sel disusun dalam bentuk sandwich, diapit dua buah conducting glass, dan dilingkupi spacer.................... Skema prinsip kerja sel surya dye-sensitized. Foton diserap oleh dye yang terikat di TiO 2 dan menghasilkan elektron. Elektron tereksitasi dan diinjeksikan ke pita konduksi. Elektron mengalir di photoelectrode, external load, dan kembali ke counter electrode. Reaksi redoks meregenerasi elektron ...................................................................................... Skema aliran elektron sel surya dye-sensitized. Aliran elektron melibatkan dye tereksitasi, pita konduksi, ion, dan katalis redoks ............................................................................. Counter electrode. Counter electrode sebagai katoda dalam sel surya dye-sensitized dan katalis dalam reaksi redoks .......... Karakteristik I-V sel surya. Karakteristik melibatkan parameter I sc , V oc , I m , dan V m . Daya maksimum P max merupakan luasan hasil kali I m dan V m ..................................... Sketsa graphene dan carbon nanotube. Carbon nannotube merupakan graphene yang digulung. Ada tiga tipe nanotube: zigzag, armchair, dan chiral nanotube...................................... Skema hibridisasi sp2. Hibridisasi sp2 berperan dalam pembentukan struktur graphene dan carbon nanotube ............. Struktur pita elektronik graphene. Bidang atas menggambarkan pita konduksi dan bidang bawah menggambarkan pita valensi graphene ..................................... Metode spray-coating. Spray-coating ditentukan oleh diameter spray gun, jarak, volume, dan tekanan spraying ........ Blok diagram pengukuran karakteristik I-V sel surya dyesensitized. Sel disinari dengan intensitas cahaya tertentu, beban divariasi, dan diukur beda potensial V dan arus I yang terbaca pada multimeter ............................................................ Contoh hasil pengukuran karakteristik I-V sel surya dyesensitized. Hasil pengukuran menunjukkan parameter I sc , V oc , I m , V m , P max , fill factor, dan efisiensi sel .................................. Skema prinsip kerja scanning electron microscope. Sinar elektron dari electron gun melalui column menuju spesimen. Fokus sinar diatur dengan condenser dan objective lens. Sinar mengenai spesimen, berinteraksi, dan menghasilkan sinyal. Sinyal ditangkap detektor, diproses, dan dihasilkan image spesimen .................................................................................... Skema prinsip kerja spectrophotometer .................................... Skema prinsip kerja four-point probe ....................................... Blok diagram proses preparasi substrat TCO ............................


8

8

9 10

11

14 16

17 19

19

20

21 23 24 25

Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7


Gambar 3.10

Gambar 3.11


Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 3.17

Gambar 3.18

Gambar 3.19 Gambar 3.20 Gambar 3.20 Gambar 3.21 Gambar 3.22


Alat pemotong kaca. Mata pena pemotong terbuat dari platina Blok diagram proses pembuatan screen .................................... Mesin screen maker Richmond Model 3000TT........................ Screen dengan pola persegi 1x1 cm. Pola persegi ini merupakan ukuran area aktif dari sel surya dye-sensitized ....... Blok diagram proses printing photoelectrode ........................... Mesin printing de Haart Model Po. SP SA 10. Mesin ini digunakan sebagai alat untuk proses screen printing photoelectrode ........................................................................... Screen dengan pola persegi ukuran 1x1 cm di mesin printing.. Kurva I-V berdasarkan pengaruh ketebalan lapisan nc-TiO 2 . Ketebalan lapisan dengan dua kali proses printing menghasilkan efisiensi sel yang paling optimum ...................... Mesin pembakar RTC L4-310. Mesin terdiri atas tiga zona, yang masing-masing zona dapat ditentukan temperatur pembakarannya .......................................................................... Kurva I-V berdasarkan pengaruh annealing pasta nc-TiO 2 . Suhu annealing 450oC menghasilkan karakteristik dan efisiensi sel terbaik .................................................................... Carbon nanotube. Tipe multi-walled berdiameter 10-30 nm .... Blok diagram proses pembuatan larutan carbon nanotube Eksperimen ke-5 menghasilkan larutan terbaik dan digunakan sebagai larutan dalam proses spray-coating counter electrode. Stirrer Dataplate PMC 750........................................................ Ultrasonic bath Branson 3200 .................................................. Blok diagram proses spray-coating counter electrode.............. Kurva I-V berdasarkan pengaruh annealing counter electrode. Counter electrode yang di-annealing menghasilkan efisiensi sel yang lebih baik dibanding dengan sel yang counter electrode-nya tanpa proses annealing ....................................... Spray gun WGF-130. Spray gun berdiameter 1 mm. Volume larutan yang keluar dari spray gun dapat diatur dengan memutar pena gun ..................................................................... Photoelectrode dalam larutan dye ............................................. Blok diagram proses assembling sel surya dye-sensitized ........ Scanning electron microscope................................................... Blok diagram proses uji sampel counter electrode dengan SEM. ......................................................................................... Posisi penempatan sampel pada holder. Gambar (a) untuk menghasilkan image morfologi dan (b) untuk mendapatkan image ketebalan lapisan carbon nanotube pada counter electrode .................................................................................... UV-VIS-NIR spectrophotometer ................................................ Blok digram proses pengukuran nilai transmitans counter electrode dengan spectrophotometer......................................... Alat four point probe. Alat terdiri atas 4 buah probe: 2 probe terluar sebagai outer probe dan 2 probe dalam sebagai inner probe. Arus dialirkan pada outer probe dan beda potensial


26 27 28 28 29

30 30

31

31

32 32

33 34 34 35

36

36 37 38 39 39

40 41 41


Gambar 3.28

Gambar 3.29




Gambar 4.6

Gambar 4.7


Gambar 4.10

Gambar 4.11

diukur pada inner probe. Nilai sheet resistance terbaca pada multimeter ................................................................................. Blok diagram proses pengukuran sheet resistance counter electrode .................................................................................... Sirkuit rangkaian pengukuran depletion capacitance dan built-in potential sel surya dye-sensitized. Nilai kapasitans C (dalam μF) merupakan fungsi dari tegangan V ......................... Sirkuit rangkaian pengukuran karaktristik I-V sel dalam kondisi gelap. Arus I diamati untuk setiap tegangan V yang diberikan pada sel ...................................................................... Sirkuit rangkaian pengukuran karakteristik I-V dan efisiensi sel. Sel disinari dari arah photoelectrode. Divariasi resistor variabel R, diamati nilai tegangan V dan arus I ......................... Solar simulator. Tipe Oriel AM1.5 dengan intensitas 35 mW/cm2 ..................................................................................... NI PXI-1033 dan I/O Connector NI SCC-68 ............................ Software LabVIEW. Di window LabVIEW terdapat kurva I-V dan parameter-parameter karakteristik I-V sel surya dyesensitzed..................................................................................... Substrat TCO dengan ukuran 2x2 cm. TCO digunakan sebagai substrat photoelectrode dan counter electrode ............. Photoelectrode hasil deposisi lapisan TiO 2 . Warna putih menunjukkan area aktif sel surya dye-sensitized dan warna bening merupakan luasan TCO ................................................. Foto SEM photoelectrode. Partikel TiO 2 berdimensi nanometer sehingga memperluas area sentuh dengan dye ........ Larutan carbon nanotube. Larutan digunakan sebagai bahan deposisi lapisan CNT pada counter electrode ........................... Counter electrode berbahan carbon nanotube. Gambar (a), (b), dan (c) menunjukkan counter electrode dengan jumlah spray 10x, 25x, dan 55x ............................................................ Hasil proses pewarnaan. Warna photoelectrode yang semula putih berubah menjadi kecoklatan. Hal ini berarti dye telah meresap ke partikel TiO 2 .......................................................... Grafik absorbans larutan rutenium dye. Larutan rutenium dye mampu menyerap spektrum cahaya dari panjang gelombang 400 nm hingga 700 nm .............................................................. Grafik absorbans photoelectrode. Perendaman dalam waktu yang lebih lama menghasilkan absorbans yang lebih tinggi ..... Hasil assembling sel surya dye-sensitized. Sel terdiri atas photoelectrode TiO 2 dan rutenium dye, larutan elektrolit iodium, dan counter electrode carbon nanotube....................... Foto SEM serbuk carbon nanotube. Foto SEM menunjukkan sekumpulan carbon nanotube yang berbentuk tabung dan saling tindih ............................................................................... Foto SEM counter electrode berbahan carbon nanotube. Gambar (a) dan (b) berturut-turut menunjukkan morfologi lapisan carbon nanotube pada counter electrode dengan spray


42 43

43

44

44 45 46

46 49

50 51 52

53

53

54 55

56

57

Gambar 4.12

Gambar 4.13

Gambar 4.14

Gambar 4.15

Gambar 4.16

Gambar 4.17


Gambar 4.20

Gambar 4.21

Gambar 4.22

5x dan 10x ................................................................................. Foto SEM ketebalan lapisan carbon nanotube pada counter electrode. Gambar (a) dan (b) berturut-turut menunjukkan spray 10x dan 15x ..................................................................... Nilai transmitans counter electrode. Counter electrode dengan spray sedikit menghasilkan nilai transmitans yang lebih tinggi ................................................................................. Penampang sel surya dye-sensitized. Sel dibentuk oleh dua buah elektroda, photoelectrode dan counter electrode, dengan space 25 μm. Nilai depletion capacitance C dipengaruhi oleh jarak d, yaitu jarak antar dua elektroda ..................................... Kurva 1/C j 2 vs V pada sel surya dye-sensitized dengan berbagai variasi spray carbon nanotube pada counter electrode. Perpotongan kurva pada sumbu horisontal merupakan nilai built-in potential V bi ....................................... Kurva 1/C j 2 vs V pada sel surya dye-sensitized dengan counter electrode berbahan platina. Built-in potential sebesar 0,83 V ........................................................................................ Kurva karakteristik I-V sel dalam kondisi gelap. Kenaikan tegangan dengan interval 0,1 V menyebabkan kenaikan arus I dengan interval yang semakin tinggi ......................................... Kurva karakteristik I-V sel dengan counter electrode berbahan platina dalam kondisi gelap ....................................... Kurva ln I sebagai fungsi V pada sel dengan counter electrode carbon nanotube. Titik potong grafik dengan sumbu ordinat memberikan informasi besar arus saturasi I s sel ....................... Kurva ln I sebagai fungsi V pada sel dengan counter electrode platina. Titik potong grafik dengan sumbu ordinat adalah 2,759 sehingga arus saturasi sel I s sebesar 15,8 μF .................. Kurva I-V sel dengan counter electrode carbon nanotube. Sel dengan jumlah spray lebih banyak menghasilkan karakteristik I-V dan efisiensi sel yang lebih baik .......................................... Kurva I-V sel dengan counter electrode TCO dan platina. Sel dengan counter electrode platina menghasilkan efisiensi sel sebesar 4,13% ............................................................................


57

58

59

61

62

63

64 65

66

67

69

73

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Tabel 4.1 Tabel 4.2

Tabel 4.3

Tabel 4.4

Inventarisasi alat, bahan, dan parameter proses penelitian ....... Data sheet resistance counter electrode.................................... Data pengukuran depletion capacitance C sebagai fungsi tegangan V pada sel dengan variasi spray carbon nanotube pada counter electrode .............................................................. Parameter I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized dengan berbagai jenis counter electrode berbahan carbon nanotube dengan variasi spray 10x, 15x, 25x, dan 55x ............................ Parameter I-V dan efisiensi sel dengan counter electrode TCO dan platina .................................................................................


47 60

60

68 72

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Lampiran 2 Lampiran 3 Lampiran 4 Lampiran 5 Lampiran 6

Data I-V Sel dengan Counter Electrode 10x Spraying Data I-V Sel dengan Counter Electrode 15x Spraying Data I-V Sel dengan Counter Electrode 25x Spraying Data I-V Sel dengan Counter Electrode 55x Spraying Karakteristik I-V DSSC dengan Counter Electrode CNT 25x Spraying (Metode Komputerisasi) Karakteristik I-V DSSC dengan Counter Electrode Platina (Metode Komputerisasi)


BAB 1 PENDAHULUAN

Bab

ini

merupakan

pendahuluan

dari

tesis

tentang

penelitian

pengembangan counter electrode berbasis carbon nanotube dengan metode spraycoating untuk aplikasi sel surya dye-sensitized. Bab pendahuluan membahas tentang latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan. Informasi tentang riset sel surya dye-sensitized yang merupakan bagian dari penelitian di bidang sumber energi terbarukan, bagian-bagian dari sel surya dye-sensitized, dan pemilihan carbon nanotube sebagai bahan counter electrode sel dibahas dalam sub bab latar belakang. Sub bab perumusan masalah berisi informasi tentang perumusan masalah dalam penelitian counter electrode sel surya dye-sensitized. Sub bab tujuan penelitian berisi informasi tentang tujuan penelitian, yaitu pengembangan counter electrode sel surya dye-sensitized dengan menggunakan carbon nanotube dan pengukuran karakteristik I-V dan efisiensi sel. Batasan-batasan penelitian yang terdiri atas jenis bahan, metode pembuatan, dan karakteristik counter electrode dan sel surya dye-sensitized dibahas dalam sub bab batasan masalah. Sub bab metodologi penelitian berisi tahapan-tahapan dalam penelitian yaitu studi referensi, penyiapan alat dan bahan, pembuatan sel, serta proses karakterisasi. Sub bab terakhir dalam bab pendahuluan adalah sub bab sistematika penulisan. Sub bab ini menjelaskan secara ringkas tentang bab-bab dalam penulisan tesis, yaitu bab pendahuluan, bab tinjauan pustaka, bab metode penelitian, bab hasil dan analisis, serta bab kesimpulan dan saran.

1.1

Latar Belakang Penelitian sumber-sumber energi terbarukan terus dilakukan. Hal ini

disebabkan oleh kebutuhan energi dunia yang terus meningkat. Sumber energi kovensional, seperti bahan bakar fosil, akan berkurang dan habis untuk beberapa saat ke depan. Oleh karena itu dikembangkan sumber energi alternatif, khususnya sumber energi dari alam yang melimpah yaitu energi matahari. Sel surya

1 Pengembangan counter..., Mirza Nur Hidayat, FMIPA UI, 2011

dipertimbangkan sebagai piranti utama untuk mendapatkan energi dari matahari, yang mana sel surya dapat mengubah cahaya matahari menjadi listrik dengan efisiensi konversi yang tinggi, dapat menyediakan sumber energi yang permanen dengan biaya yang rendah, dan bebas polusi (Sze, 1985). Sel surya konvensional memanfaatkan efek fotovoltaik dari semikonduktor untuk menghasilkan listrik dari sinar matahari. Meskipun kemajuan besar dicapai selama dekade terakhir, pemanfaatan sel surya berbasis silikon memerlukan biaya yang lebih mahal dibanding dengan pembangkit listrik tradisional (Wang, 2011). Sel surya dye-sensitized (dye-sensitized solar cell, DSSC) merupakan sel surya generasi baru yang bekerja berdasarkan mekanisme proses fotoelektrokimia, dimana absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul pewarna dan proses separasi muatan oleh bahan semikonduktor. Sel ini dibentuk dari dua buah substrat berupa transparent-conducting-oxide (TCO-glass) yang disusun secara sandwich. Bagian atas berupa molekul-molekul pewarna yang terikat di permukaan lapisan semikonduktor nc-TiO 2 (photo electrode) dan bagian alas terlapisi platina sebagai counter electrode serta larutan elektrolit sebagai penghantar muatan. Bagianbagian tersebut menentukan karakteristik I-V dan efisiensi sel (Gratzel, 2003). Penelitian-penelitian lapisan semikonduktor nc-TiO 2 , dye, dan elektrolit yang merupakan bagian penyusun DSSC sudah banyak dilakukan. Sementara penelitian untuk counter electrode jarang dilakukan karena sifat katalis platina yang ideal. Efisiensi DSSC yang tinggi diperoleh dengan menggunakan platina sebagai counter electrode. Meskipun demikian, counter electrode berbahan platina memiliki beberapa kelemahan, yaitu biayanya yang mahal dan faktor kesulitan dalam proses coating (Lee, Ramasamy, Lee, Min, Song, 2006). Carbon Nanotube (CNT) merupakan material baru dalam dunia mikro & nanoelektronika. Aplikasi CNT dalam mikro & nanoelektronika diantaranya adalah sebagai bahan interkoneksi dalam komponen dan sirkuit (Naeemi, Meindl, 2009), field effect transistor CNT-FET (Javey, 2009; Amlani, 2009; Guo, Lundstrom, 2009), sensor (Lee, Kong, 2009), thin film dengan performa tinggi (Cao, et al., 2009; Fanchini, Unalan, Chhowalla, 2006), organic thin-film transistors (Cao, et al., 2006), dan desain kapasitor, baterai, serta aktuator elektromekanik (Barisci, Wallace, MacFarlane, Baughman, 2004).


Carbon nanotube juga dapat digunakan sebagai elektroda dalam detektor elektrokimia (Santhosh, Manesh, Gopalan, Lee, 2006; ), elektroda dalam fuel cells (Girishkumar, Vinodgopal, Kamat, 2004; Matsumoto, et al., 2004), elektroda dalam polymer-fullerence solar cells (Pasquier, Unalan, Kanwal, Miller, Chhowalla, 2005), dan elektroda dalam organic solar cells (Rowell, et al., 2006). Carbon nanotube merupakan salah satu alternatif pengganti platina sebagai counter electode dalam sel surya dye-sensitized (Nam, Park, Kim, Lee, 2010). Carbon nanotube dipilih karena beberapa sifat unik yang dimiliki yaitu topologi tiga-dimensi CNT network mampu menampung muatan dari area permukaan yang luas (Lee, Ramasamy, Lee, Min, Song, 2006), nilai resistansi listrik yang rendah, konduktivitas tinggi (Barnes, et al., 2007), dan fleksibilitas yang tinggi, tidak rapuh (Ulbricht, et al., 2006; Grow, 2009). Carbon nanotube mampu membawa rapat arus sebesar 109 A/cm2 dan mampu menghantarkan arus tanpa perubahan yang signifikan pada resistans dan morfologi dalam waktu yang lama pada suhu 250 °C (Sheetaramappa, Yellappa, D’Souza, 2006).

1.2

Perumusan Masalah Karakteristik I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized yang tinggi menjadi

topik penelitian di berbagai lembaga riset dan dunia industri. Untuk itu counter electrode sebagai bagian dari sel surya dye-sensitized yang juga menentukan karakteristik I-V dan efisiensi sel, perlu dikembangkan variasi bahan dan metode pembuatannya.

1.3

Tujuan Penulisan Tujuan penelitian dalam proposal ini adalah pengembangan counter electrode

sel surya dye-sensitized menggunakan bahan carbon nanotube (CNT) dengan metode spray-coating. Tujuan selanjutnya yaitu pengukuran karakteristik I-V dan efisiensi sel.


1.4

Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian adalah : 

Bahan counter electrode adalah carbon nanotube



Metode pembuatan counter electrode dengan metode spray-coating



Sel surya dye-sensitized yang digunakan terdiri atas semikonduktor TiO 2 , pewarna ruthenium, dan larutan elektrolit



Karakteristik counter electrode yang dipelajari berupa parameter morfologi, ketebalan, transmitans, dan sheet resistance



1.5

Karakteristik sel yang diukur adalah karakteristik I-V dan efisiensi sel

Metodologi Penelitian Pelaksanaan penelitian meliputi beberapa tahapan, yaitu :

1.6



Studi referensi, buku teks dan jurnal penelitian



Penyiapan alat dan bahan penelitian



Pembuatan komponen-komponen sel surya dye-sensitized



Karakterisasi counter electrode



Karakterisasi I-V dan efisiensi sel

Sistematika Penulisan Penulisan tesis terdiri atas lima bab. Bab I merupakan pendahuluan yang

menjelaskan latar belakang, tujuan penulisan, perumusan dan batasan masalah, serta metodologi penelitian. Bab II membahas studi referensi tentang sel surya dye-sensitized, carbon nanotube, metode spray-coating, dan instrumentasi dan pengujian sel surya dyesensitized. Bab III berisi metode penelitian yang terdiri atas preparasi TCO, proses screen printing photoelectrode, proses spray-coating counter electrode, proses pewarnaan, proses assembling sel, proses karakterisasi counter electrode, serta proses karakterisasi I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized. Bab IV membahas hasil dan analisis dari penelitian yang telah dilakukan. Data hasil penelitian berupa gambar morfologi dan ketebalan hasil foto SEM, grafik transmitans, dan nilai sheet resistance counter electrode. Hasil penelitian


berikutnya adalah grafik karakteristik I-V sel. Data hasil penelitian dianalisis dan dibahas pengaruhnya terhadap karakteristik dan efisiensi sel. Bab V merupakan kesimpulan dan saran yaitu rumusan kesimpulan penelitian dan saran-saran untuk perbaikan dan pengembangan lebih lanjut.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Efek fotolistrik pertama kali diterangkan oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Fotoelektron yang timbul dalam efek tersebut tergantung pada frekuensi cahaya tumbukan. Kinerja sel surya, yang memanfaatkan efek fotovoltaik, ditentukan oleh energi foton (E = hv). Hal ini berarti spektrum cahaya tumbukan mempengaruhi efisiensi sel surya (Neamen, 1992). Distribusi energi sinar matahari mencakup sekitar 4% ultraviolet dan 96% cahaya tampak. Spektrum penyerapan utama pada sel surya silikon adalah ultraviolet dan violet. Hal ini berarti sel surya silikon tidak dapat memanfaatkan sekitar 96% energi cahaya matahari. Sebagai gambaran, sel surya silikon dengan efisiensi 20% menyerap 0,2 x 4% = 0,8% energi cahaya matahari, yang mana lebih kecil dari sel surya tipe lain dengan efisiensi 1% tetapi mempunyai spektrum penyerapan yang penuh (Chen, Lee, Tsai & Ting, 2007). Sel surya dye-sensitized adalah salah satu tipe sel surya dengan nilai efisiensi maksimum sekitar 38% secara teoritis. Sel surya ini terdiri atas empat bagian utama, yaitu photoelectrode, dye, elektrolit, dan counter electrode. Sel surya dye-sensitized menggunakan dye untuk meningkatkan kemampuan sel dalam menyerap spektrum cahaya matahari (Chen, Lee, Tsai & Ting, 2007).

2.1

Sel Surya Dye-Sensitized

2.1.1

Fotoelektrokimia Efek fotovoltaik dihasilkan dari kontak dua tipe semikonduktor yang

membentuk p-n junction. Eksitasi pasangan pembawa muatan, elektron di pita konduksi dan hole di pita valensi, adalah sebagai akibat absorpsi foton oleh semikonduktor, yang mana energi foton lebih besar dari bandgap. Proses berikutnya yaitu separasi muatan, elektron dan hole, sehingga beda potensial didapatkan dan arus listrik mengalir di sirkuit eksternal. Semua proses di atas terjadi pada material solid dan mekanisme konduksi oleh proses elektronik, yaitu pergerakan elektron dan hole. Piranti yang berbasis semikonduktor solid-state tersebut mendominasi dunia sains dan teknologi fotovoltaik (McEvoy, 2005).


Sistem lain yang dapat menghasilkan efek fotovoltaik adalah sistem fotoelektrokimia.

Sistem

fotoelektrokimia

dibentuk

oleh

kontak

antara

semikonduktor dengan elektrolit, yang mana mekanisme konduksi berupa pergerakan ion. Proses pembuatan sel fotoelektrokimia yang mudah dan murah membuat sel ini menjadi salah satu alternatif dalam pengembangan konversi energi surya (McEvoy, 2005).

2.1.2

Sel Surya Dye-Sensitized Sel surya dye-sensitized (dye-sensitized solar cell, DSSC) merupakan sel

surya yang bekerja berdasarkan sistem fotoelektrokimia, dimana absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul pewarna dan proses separasi muatan oleh bahan semikonduktor. Sel ini dibentuk dari dua buah substrat berupa transparentconducting-oxide (TCO-glass) yang disusun secara sandwich. Bagian atas berupa molekul-molekul pewarna yang terikat di permukaan lapisan semikonduktor ncTiO 2 dan bagian alas terlapisi platina sebagai counter electrode serta larutan elektrolit sebagai penghantar muatan (Gratzel, 2003). Mekanisme kerja sel surya dye-sensitized dimulai dengan penyerapan paket-paket foton oleh molekul-molekul dye yang terikat di permukaan partikel nc-TiO 2 . Elektron dari molekul ground-state tereksitasi dan berpindah ke level yang lebih tinggi excited-state. Elektron yang terangsang ini diinjeksikan ke pita konduksi (conduction band) dari partikel nc-TiO 2 meninggalkan molekul dye menjadi oxidized-state. Elektron terinjeksi ini mengalir menuju gelas berlapis TCO sebagai photoelectrode (anoda, elektroda negatif) dan akhirnya melalui external load kembali ke counter electrode (katoda, elektroda positif). Pada counter electrode ini elektron ditransfer melalui triiodida dalam elektrolit menghasilkan

iodium.

Iodium

meregenerasi

elektron

pada

dye

untuk

menggantikan elektron yang hilang (oxidized-dye) dan kembali pada posisi semula (Halme, 2002). Gambar 2.1, Gambar 2.2, dan Gambar 2.3 berturut-turut menunjukkan detail bagian, skema prinsip kerja, dan skema aliran elektron sel surya dyesensitized.


Gambar 2.1 Detail bagian sel surya dye-sensitized. Sel terdiri atas TiO 2 dan dye sebagai photoelectrode; larutan elektrolit; serta counter electrode. Sel disusun dalam bentuk sandwich, diapit dua buah conducting glass, dan dilingkupi spacer. Sumber gambar: Chen, Lee, Tsai & Ting, 2007

Gambar 2.2 Skema prinsip kerja sel surya dye-sensitized. Foton diserap oleh dye yang terikat di TiO 2 dan menghasilkan elektron. Elektron tereksitasi dan diinjeksikan ke pita konduksi. Elektron mengalir di photoelectrode, external load, dan kembali ke counter electrode. Reaksi redoks meregenerasi elektron. Sumber gambar: Chen, Lee, Tsai & Ting, 2007


Gambar 2.3 Skema aliran elektron sel surya dye-sensitized. Aliran elektron melibatkan dye tereksitasi, pita konduksi, ion, dan katalis redoks. Sumber gambar: Chen, Lee, Tsai & Ting, 2007

2.1.3

Aliran Elektron Sel Surya Dye-Sensitized Detail proses aliran elektron pada sel surya dye-sensitized (Gambar 2.3)

adalah sebagai berikut. a) Dye (D) dieksitasi menjadi dye tereksitasi (D*) oleh penyerapan energi foton (hv). D + hv → D*

(1)

b) Elektron dye tereksitasi melompat ke pita konduksi TiO 2 (CB). D* → D+ + e- (CB)

(2)

c) Dye dengan elektron teremitasi (D+) bereaksi dengan ion iodida (I-) atau menerima elektron dari pita konduksi TiO 2 dan kembali ke dye (D) kembali. 3I- + 2D+ → I 3 - + 2D

(3)

D+ + e- → D

(4)

d) Ion triiodida (I 3 -) selanjutnya menerima elektron dari counter electrode dan kembali menjadi ion iodida (I-) kembali. I 3 - + 2e- → 3I-

(5)

(Chen,

Lee, Tsai & Ting, 2007)


2.1.4

Counter Electrode Counter electrode adalah salah satu bagian dari sel surya dye-sensitized.

Counter electrode disebut juga sebagai katoda sel surya dye-sensitized. Counter electrode berperan sebagai katalis reaksi redoks dalam sel. Counter electrode mereduksi ion triiodida I 3 - menjadi iodida I- melalui proses I 3 - + 2e- → 3I- (Chen, Lee, Tsai & Ting, 2007). Counter electrode dibuat dengan cara proses deposisi lapisan pada substrat TCO. Bahan deposisi dapat berupa platina atau karbon. Proses deposisi counter electrode dapat dilakukan dengan beberapa metode, diantaranya adalah metode sputtering dan screen printing. Faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik counter electrode diantaranya adalah sheet resistance, ketebalan, transmitans, dan area sentuh dengan larutan elektrolit pada sel surya dye-sensitized. Contoh counter electrode ditunjukkan dalam Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Counter electrode. Counter electrode sebagai katoda dalam sel surya dye-sensitized dan katalis dalam reaksi redoks.

2.15

Karakteristik I-V dan Efisiensi Sel Karakteristik I-V sel surya dideskripsikan dalam persamaan Shockley,

yaitu (1) dengan k B adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu absolut, q adalah muatan elektron, V adalah tegangan pada terminal sel, I 0 adalah arus saturasi, dan I ph adalah arus photogenerated. I ph berhubungan dengan tumbukan fluks foton pada


sel dan tergantung pada panjang gelombang cahaya. Gambar 2.5 menunjukkan karakteristik I-V sel surya.

Gambar 2.5 Karakteristik I-V sel surya. Karakteristik melibatkan parameter I sc , V oc , I m , dan V m . Daya maksimum P max merupakan luasan hasil kali I m dan V m . Sumber gambar: Markvart, 2005

Pada kondisi ideal, arus hubung singkat (short circuit current) I sc adalah sebanding dengan arus photogenerated I ph , dan tegangan hubung terbuka (open circuit voltage) V oc diberikan oleh

(2)


Daya yang diproduksi sel sebesar P = IV, dengan daya maksimum P max pada tegangan V m dan arus I m sehingga fill factor FF didefinisikan sebagai

(3)

Efisiensi konversi daya η didefinisikan sebagai daya keluaran dibagi dengan daya masukan, sesuai dengan persamaan

(4)

dengan A adalah luas area dan G adalah iradians total (Markvart, 2005; Allison, 1990).

2.1.6

Efisiensi Kuantum Efisiensi kuantum sel surya didefinisikan sebagai rasio jumlah elektron

pada sirkuit eksternal yang dihasilkan oleh tumbukan foton pada panjang gelombang tertentu. Ada dua jenis efisiensi kuantum, yaitu efisiensi kuantum eksternal EQE(λ) dan efisiensi kuantum internal IQE(λ). Semua foton yang mengenai permukaan sel dihitung sebagai nilai EQE(λ), sedangkan nilai IQE(λ) hanya memperhitungkan foton yang tidak terpantulkan. Jika efiensi kuantum internal diketahui, maka total arus photogenerated I ph diberikan oleh

(5)

dengan Φ(λ) adalah tumbukan fluks foton pada sel pada panjang gelombang λ, ℛ(λ) adalah koefisisen refleksi permukaan sel.

Nilai maksimum arus photogenerated I ph juga dapat ditentukan dengan

asumsi bahwa satu foton yang diserap sel menghasilkan tepat satu elektron yang mengalir di sirkuit eksternal sebesar

(6)


dengan A adalah area iluminasi, q adalah muatan elektron, f ω sebesar 2,18 x 10-5, E g adalah bandgap dan T s adalah suhu pada 5767K. Arus I 0 ditentukan oleh persamaan Shockley dan Queisser (dengan asumsi suhu sel T c sebanding dengan suhu ambien T a ), yaitu

(7)

dengan f 0 adalah koefisien yang tergantung pada indeks bias sesuai dengan struktur dan geometri bahan (Landsberg, 2005).

2.1.7

Depletion Capacitance dan Built-in Potential Kapasitans deplesi (depletion capacitance) per satuan luas didefinisikan

sebagai C j = dQ / dV, dengan dQ adalah perubahan jumlah muatan per satuan luas di daerah deplesi dan dV adalah perubahan beda potensial. Built-in potensial V bi merupakan beda potensial elektrostatis antara dua sisi pada junction. Hubungan antara depletion capacitance dengan built-in potensial memenuhi persamaan

(8)

dengan ε s adalah konstanta dielektrik dan N B konsentrasi impuritas (Sze, 1985). 2.2

Carbon Nanotube Carbon nanotube (CNT) merupakan salah satu allotrope karbon yang

berbentuk silinder. Diameter CNT berukuran antara satu sampai puluhan nanometer dan panjang sampai dimensi sentimeter. CNT dibentuk seluruhnya oleh karbon. Struktur lain yang dibentuk oleh karbon yaitu diamond, grafit, dan buckyballs. Berbagai struktur ini ada karena kemampuan karbon dalam membentuk orbital hibridisasi (hybridized orbitals) dan konfigurasi ikatan. Bentuk orbital hibridisasi CNT adalah sp2, sebuah struktur orbital yang sama dengan grafit (Leonard, 2009).


2.2.1

Struktur Carbon Nanotube Carbon nanotube dapat digambarkan sebagai sebidang graphene yang

digulung (rolled-up) dan membentuk sebuah silinder tertutup, seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.6. Vektor basis membentuk kisi graphene, dengan

dan

= 0,142 nm adalah jarak ikatan antar karbon.

Dua atom A dan B dalam gambar adalah dua atom dalam sel unit graphene.

Gambar 2.6 Sketsa graphene dan carbon nanotube. Carbon nannotube merupakan graphene yang digulung. Ada tiga tipe nanotube: zigzag, armchair, dan chiral nanotube. Sumber gambar: Leonard, 2009


Pemotongan bidang segi empat pada graphene membentuk vektor circumferential dan ini merupakan tepi bidang graphene yang menjadi keliling nanotube. Jari-jari nanotube diperoleh dari

sebagai

(9)

Ada dua hal khusus yang ditunjukkan dalam Gambar 2.6. Pertama, ketika vektor circumferential searah pada salah satu vektor basis, CNT yang terbentuk disebut sebagai tipe zigzag. Gambar 2.6(a) menunjukkan (10,0) zigzag nanotube. Kedua, ketika vektor circumferential searah tepat diantara dua vektor basis, n = m, maka CNT yang terbentuk dinamakan tipe armchair. Gambar 2.6(b) menunjukkan (5,5) armchair nanotube. Sedangkan tipe chiral nanotube terbentuk ketika n ≠ m, seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.6(c) (Leonard, 2009; Hennrich, Chan, Moore, Ronaldi, O’Connell, 2006; Mitin, Kochelap, Stroscio, 2008).

2.2.2

Sifat Elektronik Carbon Nanotube Karbon memiliki nomor atom z = 6 sehingga konfigurasi elektronnya

adalah 1s2 2s2 2p2 yang berarti memiliki empat elektron valensi. Orbital 2s dan 2p dapat dihibridisasi membentuk orbital sp, sp2, dan sp3, yang membentuk struktur karbon yang berbeda-beda pada material (Tang, 2005). Hibridisasi sp membentuk molekul karbon linear, dan hibridisasi sp3 membentuk struktur diamond. Hibridisasi sp2 berperan dalam pembentukan struktur graphene dan carbon nanotube. Tiga elektron 2sp2 membentuk tiga ikatan pada bidang graphene dan menyisakan satu orbital unsaturated p z (Gambar 2.6(d)). Orbital p z tegak lurus pada bidang graphene dan permukaan nanotube, membentuk π network sepanjang nanotube, yang berperan dalam sifat elektronik nanotube. Skema proses hibridisasi sp2 ditunjukkan dalam Gambar 2.7.


Gambar 2.7 Skema hibridisasi sp2. Hibridisasi sp2 berperan dalam pembentukan struktur graphene dan carbon nanotube. Sumber gambar: Zhang, 2009

2.2.3

Pita Energi Orbital π pada graphene berperan dalam transpor listrik dengan persamaan

dispersi energi

(10)

dengan γ adalah parameter tight-binding yang menggambarkan kekuatan interaksi tetangga-terdekat (the nearest-neighbor interactions). Struktur pita elektronik graphene di atas diplot dalam grafik sebagai fungsi k x dan k y seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.8.


Gambar 2.8 Struktur pita elektronik graphene. Bidang atas menggambarkan pita konduksi dan bidang bawah menggambarkan pita valensi graphene. Sumber gambar: Leonard, 2009

Tanda negatif (-) menunjukkan pita valensi graphene yang dibentuk oleh orbital π, sementara tanda positif (+) menunjukkan pita konduksi yang dibentuk oleh orbital π*. Pita valensi dan pita konduksi graphene bertemu di enam titik yaitu pada sudut zona Brillouin. Besar pita larangan (bandgap) E g pada nanotube diberikan oleh persamaan

0,7 eV / d (nm)

dengan

(11)

= 8x105 m/s dan d adalah diameter nanotube. Keunikan pita energi

tersebut membuat carbon nanotube memiliki kemampuan dalam membawa rapat arus yang tinggi (high current density). Sebuah carbon nanotube mampu membawa arus sampai dengan 25 μA (Freitag, 2009) dan rapat arus sebesar 109 A/cm2, sehinga dapat mengatasi permasalahan interkoneksi dalam industri semikonduktor yang breakdown saat rapat arus melebihi 106 A/cm2 (Leonard, 2009; Park, 2009; Saito, Dresselhaus, Dresselhaus, 1998).


2.3

Metode Spray-Coating Metode spray-coating merupakan salah satu alternatif dalam teknik

deposisi lapisan electrode pada sel surya dye-sensitized. Metode ini murah, efisien, dan dapat mencakup area deposisi yang luas. Spray-coating menjamin coating yang ideal pada berbagai jenis permukaan dengan morfologi yang berbeda dan dapat mengurangi jumlah fluida sisa (fluid waste) dalam proses deposisi. Ada dua tipe metode spray-coating, yaitu single-pass dan multi-pass spraying. Pada metode single-pass spraying, proses penyemprotan dan pengeringan lapisan yang telah dideposisi dilakukan satu kali. Sedangkan pada multi-pass spraying, penyemprotan dan pengeringan lapisan dilakukan lebih dari satu kali, dengan dicirikan oleh semprotan yang tipis dan berulang-ulang (Girotto, Genoe, 2010). Metode spray-coating diawali dengan pembuatan larutan yang akan dispraying di atas substrat. Kekentalan larutan diatur sesuai dengan kebutuhan. Pelarut yang biasanya digunakan adalah air, alkohol, atau thinner. Bahan yang akan dilarutkan dicampur dengan pelarut dan diaduk. Proses pencampuran ini dapat menggunakan stirrer atau sonikator. Larutan dimasukkan dalam tabung spray gun dan siap digunakan dalam proses spraying. Jarak spraying yaitu jarak antara spray gun dengan substrat juga diatur. Ukuran diameter spray gun menentukan hasil spraying. Semakin kecil diameternya, semakin tipis ketebalan dan semakin rata permukaan lapisan. Proses spraying dapat dilakukan beberapa kali untuk mendapatkan variasi ketebalan lapisan deposisi. Deposisi lapisan hasil proses spray-coating dikeringkan dalam oven atau dilakukan proses annealing dengan menggunakan mesin pembakar. Metode spray-coating ditunjukkan dalam Gambar 2.9.


Gambar 2.9 Metode spray-coating. Spray-coating ditentukan oleh diameter spray gun, jarak, volume, dan tekanan spraying.

2.4

Instrumentasi dan Pengujian Sel Surya Dye-Sensitized Blok diagram metode pengukuran karakteristik I-V sel surya dye-sensitized

ditunjukkan dalam Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Blok diagram pengukuran karakteristik I-V sel surya dye-sensitized. Sel disinari dengan intensitas cahaya tertentu, beban divariasi, dan diukur beda potensial V dan arus I yang terbaca pada multimeter. Sumber gambar: Osterwald, 2005

Metode pengukuran karakteristik I-V sel surya dye-sensitized yaitu sel yang diukur disinari (illuminated) dan beban pada sirkuit (load) divariasi, sehingga didapatkan kurva I-V.


Faktor utama yang mempengaruhi sistem pengukuran karakteristik I-V adalah tipe sel yang diukur dan sumber penyinaran. Sumber penyinaran dapat berupa solar simulator atau cahaya matahari. Faktor lain yaitu ketidakseragaman spasial

(spatial

non-uniformities),

ketidakstabilan

temporal

(temporal

instabilities), dan waktu penyinaran (illumination time) (Osterwald, 2005). Contoh hasil pengujian dan pengukuran karakteristik I-V sel surya dyesensitized ditunjukkan dalam Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Contoh hasil pengukuran karakteristik I-V sel surya dye-sensitized. Hasil pengukuran menunjukkan parameter I sc , V oc , I m , V m , P max , fill factor, dan efisiensi sel. Sumber gambar: McEvoy, 2005


2.5

Scanning Electron Microscope, Spectrophotometer, Four-Point Probe

2.5.1

Scanning Electron Microscope Scanning electron microscope (SEM) adalah tipe mikroskop elektron yang

mana gambar sampel diperoleh dari proses scanning sinar elektron energi tinggi dengan pola raster. Elektron berinteraksi dengan atom sehingga sampel menghasilkan sinyal yang berisi informasi topografi permukaan sampel dan komposisi bahan. Skema SEM ditunjukkan dalam Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Skema prinsip kerja scanning electron microscope. Sinar elektron dari electron gun melalui column menuju spesimen. Fokus sinar diatur dengan condenser dan objective lens. Sinar mengenai spesimen, berinteraksi, dan menghasilkan sinyal. Sinyal ditangkap detektor, diproses, dan dihasilkan image spesimen. Sumber gambar: Hafner, 2007

Electron gun Fungsi electron gun adalah sebagai sumber sinar elektron dengan energi tertentu. Ada tiga tipe electron gun, yaitu tungsten, lanthanum hexaboride LaB 6 , dan field


emission. Electron gun terdiri atas katoda yang berupa metal dengan diameter kurang dari 100 nm dan anoda. Beda potensial antara katoda dan anoda menentukan accelerating voltage dari gun. Semakin tinggi accelerating voltage, semakin cepat elektron bergerak turun sepanjang kolom dan semakin kuat daya penetrasi ke dalam spesimen.

Electron lenses Lensa elektromagnetik digunakan untuk memfokuskan sinar elektron yang bersumber dari electron gun. Lensa terdiri atas condenser lense dan objective lense. Objective lense digunakan untuk memfokuskan sinar elektron yang mengenai spesimen.

Accelerating voltage Besar accelerating voltage dapat divariasi dalam orde kilo volt. Peningkatan besar accelerating voltage akan menghasilkan resolusi dan kontras gambar yang lebih baik, sinyal yang tinggi, namun juga dapat merusak spesimen.

Beam-specimen interactions & signals Sinar elektron berinteraksi dengan medan coulomb (muatan listrik) dari inti atom (nucleus) dan elektron-elektron dari spesimen. Interaksi ini menghasilkan beberapa sinyal, yaitu backscattered electrons, secondary electrons, sinar X, Auger electrons, dan cathadoluminescense. Pembahasan tulisan difokuskan pada backscattered dan secondary electrons. Secondary electrons dihasilkan dari interaksi sinar elektron dengan medan listrik elektron pada atom spesimen. Besar secondary electron adalah kurang dari 50 eV. Backscattered electrons dihasilkan dari interaksi sinar elektron dengan medan listrik nucleus pada atom spesimen. Energi backscattered elecrons berkisar antara 50 eV sampai mendekati energi dari sinar elektron. Sinyal ditangkap oleh detektor dan diproses guna menghasikan gambar (image) spesimen (Hafner, 2007).


2.5.2 Spectrophotometer Spectrophotometer adalah instrumen yang digunakan untuk mengukur jumlah cahaya yang melewati material sampel dan secara tidak langsung dapat digunakan juga untuk mengukur jumlah cahaya yang terserap oleh material sampel. Jumlah cahaya yang ditransmisikan oleh sampel disebut sebagai transmitans (T). Transmitans adalah rasio dari energi cahaya yang ditransmisikan oleh sampel (P) dibagi dengan energi cahaya yang ditransmisikan oleh reference blank (P 0 ) dengan persamaan T = P / P0

(12)

dan absorbans (A) didefinisikan sebagai jumlah energi cahaya yang diserap oleh sampel dengan persamaan

A = log P 0 /P

(13)

(Ewing, 1987). Skema prinsip kerja spectrophotometer ditunjukkan dalam Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Skema prinsip kerja spectrophotometer.

Spektrum cahaya dari sumber terdiri atas berbagai panjang gelombang. Cahaya ini diurai menjadi panjang gelombang tertentu dengan menggunakan prisma / monokromator yang kemudian dilewatkan melalui celah (slit). Posisi prisma dapat diubah sesuai variasi input panjang gelombang pada spectrophotometer. Cahaya kemudian melewati cuvette yang berisi sampel. Cahaya yang melewati sampel dideteksi dengan fotosel dan diukur sebagai nilai transmitans atau absorbans.


2.5.3 Four-Point Probe Four-point probe adalah instrumen yang digunakan untuk mengukur resistivitas dan sheet resistance sebuah lapisan. Skema prinsip kerja four-point probe ditunjukkan dalam Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Skema prinsip kerja four-point probe. Sumber gambar: May, Spanos, 2006

Arus listrik I diinjeksikan ke dalam permukaan lapisan melalui dua probe luar (outer probe) dan beda potensial V diukur diantara dua probe dalam (inner probe). Jika antar probe mempunyai jarak yang seragam sebesar s, maka resistivitas ρ adalah ρ = 2πsV / I

(14)

untuk t >> s, dan ρ = (πt / ln 2) V / I

(15)

untuk s >> t. Nilai sheet resistance lapisan tipis adalah sebesar R sheet = ρ / t = (π / ln 2) V / I = 4.53 V / I dengan t adalah ketebalan lapisan (May, Spanos, 2006; Schroder, 1998).


(16)

BAB III METODE PENELITIAN

Metode penelitian membahas beberapa metode yang digunakan dalam penelitian pengembangan counter electrode berbasis carbon nanotube dengan metode spray-coating untuk aplikasi sel surya dye-sensitized. Metode penelitian terdiri atas preparasi substrat transparent conducting oxide, proses screen printing photoelectrode, proses spray-coating counter electrode, proses pewarnaan, proses assembling sel surya dye-sensitized, karakterisasi counter electrode, pengukuran depletion capacitance dan built-in potential, karakterisasi I-V dan efisiensi sel, serta inventarisasi alat, bahan, dan parameter proses penelitian.

3.1

Preparasi Substrat Transparent Conducting Oxide (TCO) Blok diagram proses preparasi substrat transparent conducting oxide


TCO ukuran 10x10 cm

Pemberian pola 2x2 cm

Proses pemotongan

TCO ukuran 2x2 cm

Proses pencucian, pengeringan, dan penyimpanan

Substrat

Gambar 3.1 Blok diagram proses preparasi substrat TCO.


Transparent conductiong oxide (TCO) produk TEC15 Dyesol yang berukuran 10x10 cm diberi pola-pola persegi berukuran 2x2 cm dengan menggunakan tinta. TCO dipotong dengan menggunakan alat pemotong kaca dengan ukuran 2x2 cm. Alat pemotong kaca ditunjukkan dalam Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Alat pemotong kaca. Mata pena pemotong terbuat dari platina.

TCO yang sudah dipotong dicuci dengan 3 tahap pencucian. Tahap ke-1 TCO direndam dan dicuci dengan air sabun. Tahap ke-2 TCO dicuci dengan alkohol dan tahap ke-3 TCO dicuci dengan larutan aseton. TCO dikeringkan dalam suhu ruangan dan disimpan dalam kotak yang bersih dan siap digunakan sebagai substrat deposisi lapisan photoelectrode dan counter electrode dalam pembuatan sel surya dye-sensitized.

3.2

Proses Screen Printing Photoelectrode Photoelectrode yang berupa lapisan TiO 2 pada substrat TCO dilakukan

dengan menggunakan metode screen-printing. Metode ini terdiri atas 2 tahap proses, yaitu proses pembuatan screen dan proses printing.

3.2.1

Proses Pembuatan Screen Blok diagram proses pembuatan screen ditunjukkan dalam Gambar 3.3.

Screen yang digunakan adalah nylon screen dengan ukuran 400 mesh per inch. Screen dibersihkan dengan alkohol dan dikeringkan. Ulanoline ukuran 10x10 cm


ditempel di permukaan screen, dilapisi dengan bahan emulsi Ulano 133 dan dikeringkan. Kertas film berukuran 1x1 cm ditempel di atas ulanoline. Screen dimasukkan ke dalam screen maker produk Richmond Model 3000TT selama 3 menit. Mesin screen maker ditunjukkan dalam Gambar 3.4.

Nylon screen, 400 mesh/inch

Pencucian dan pengeringan

Penempelan kertas Ulanoline

Pelapisan emulsi

Penempelan kertas film

Mesin screen maker

Screen dengan pola 1x1 cm

Gambar 3.3 Blok diagram proses pembuatan screen.

Proses berikutnya adalah kertas film dilepas dari screen sehingga didapat pola persegi berukuran 1x1 di atas permukaan screen. Screen dicuci dengan air, dikeringkan, dan siap digunakan dalam proses printing. Screen berpola 1x1 cm ditunjukkan dalam Gambar 3.5.


Gambar 3.4 Mesin screen maker Richmond Model 3000TT.

Gambar 3.5 Screen dengan pola persegi 1x1 cm. Pola persegi ini merupakan ukuran area aktif dari sel surya dye-sensitized. 3.2.2

Proses Printing Blok diagram proses printing photoelectrode sel surya dye-sensitized

ditunjukkan Gambar 3.6.


Screen dengan pola 1x1 cm

Pemasangan screen di mesin printing

Substrat dan pasta TiO2 di mesin printing

Proses printing ke-1

Proses pengeringan hasil printing

Proses printing ke-2

Proses pengeringan hasil printing

Proses annealing

Photoelectrode

Gambar 3.6 Blok diagram proses printing photoelectrode.

Screen dengan pola persegi berukuran 1x1 cm dipasang di mesin printing de Haart Model Po. SP SA 10. Mesin printing dan screen yang telah dipasang di mesin printing berturut-turut ditunjukkan dalam Gambar 3.7 dan 3.8.


Gambar 3.7 Mesin printing de Haart Model Po. SP SA 10. Mesin ini digunakan sebagai alat untuk proses screen printing photoelectrode.

Gambar 3.8 Screen dengan pola persegi ukuran 1x1 cm di mesin printing.

Substrat TCO dan pasta TiO 2 DSL 18NR-AO diletakkan di mesin printing. Ketebalan lapisan deposisi ditentukan dengan pengulangan printing selama dua kali (proses printing ke-1 dan ke-2). Proses printing selama dua kali dari penelitian sebelumnya menghasilkan efiensi sel terbaik (Muliani, Taryana, Hidayat, 2010) sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3.9. Pengeringan dilakukan dalam oven pada suhu 100°C selama 5 menit setiap kali printing.


Arus (mAmper)

14

1 x printing

12

2 x printing

10

3 x printing

8

4 x printing

6 4 2 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tegangan (Volt)

Gambar 3.9 Kurva I-V berdasarkan pengaruh ketebalan lapisan nc-TiO 2 . Ketebalan lapisan dengan dua kali proses printing menghasilkan efisiensi sel yang paling optimum. Sumber gambar: Muliani, Taryana, Hidayat, 2010

Annealing dilakukan pada suhu 450oC dalam mesin pembakar RTC L4310 selama 20 menit. Mesin pembakar RTC L4-310 ditunjukkan dalam Gambar 3.10. Suhu annealing 450oC menghasilkan karakteristik dan efisiensi sel surya dye-sensitized

terbaik

(Muliani,

Taryana,

Hidayat,

2010)

sebagaimana


Gambar 3.10 Mesin pembakar RTC L4-310. Mesin terdiri atas tiga zona, yang masing-masing zona dapat ditentukan temperatur pembakarannya.


16

T = 500 C T = 450 C T = 400 C

14 Current [mA]

12 10 8 6 4 2 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Voltage [V]

Gambar 3.11 Kurva I-V berdasarkan pengaruh annealing pasta nc-TiO 2 . Suhu annealing 450oC menghasilkan karakteristik dan efisiensi sel terbaik. Sumber gambar: Muliani, Taryana, Hidayat, 2010

3.3

Proses Spray-Coating Counter Electrode Proses spray-coating counter electrode terdiri atas 2 tahap yaitu proses

pembuatan larutan carbon nanotube (CNT) dan proses spray-coating.

3.3.1

Proses Pembuatan Larutan Carbon Nanotube (CNT) Bahan CNT yang digunakan dalam penelitian adalah multi-walled carbon

nanotubes MWNTs (produk Helix Material Solution, Inc., MWNT-12950030-00, diameter 10-30 nm) sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3.12.

Gambar 3.12 Carbon nanotube. Tipe multi-walled berdiameter 10-30 nm.


Blok diagram proses pembuatan larutan carbon nanotube ditunjukkan dalam gambar 3.13. Serbuk carbon nanotube (CNT)

Eksperimen ke-1: CNT + air  stirring

Eksperimen ke-2: CNT + air  sonikasi

Eksperimen ke-3: CNT + HEC + Triton + air  sonikasi

Eksperimen ke-4: CNT + HEC + Triton + thinner  sonikasi

Eksperimen ke-5: CNT + HEC + Triton + thinner  sonikasi + filter

Larutan carbon nanotube (CNT)

Gambar 3.13 Blok diagram proses pembuatan larutan carbon nanotube. Eksperimen ke-5 menghasilkan larutan terbaik dan digunakan sebagai larutan dalam proses spray-coating counter electrode. Proses pembuatan larutan CNT dibuat dengan beberapa eksperimen. Eksperimen pertama, larutan dibuat dengan mencampurkan 0,1 g serbuk CNT dengan 10 mℓ air, kemudian diaduk dengan menggunakan stirrer Dataplate PMC 750 Series selama 5 jam. Eksperimen kedua, 0,1 g serbuk CNT dicampur dengan 10 mℓ air, dan dimasukkan ke dalam ultrasonic bath Branson 3200 untuk proses sonikasi (Selvarasah, Busnania, Dokmeci, 2011) selama 5 jam. Eksperimen ketiga, serbuk 0,3 g CNT dilarutkan dalam 0,01 g hydroxyethylcellulose, 50 tetes Triton X-100, dan 12 mℓ air. Larutan dimasukkan ke dalam ultrasonic bath untuk proses sonikasi selama 1 jam. Eksperimen keempat, larutan CNT dibuat dengan komposisi dan metode seperti pada eksperimen ketiga, hanya pelarut air diganti dengan thinner produk T-118 Shoei Chemical Inc.


Eksperimen kelima yaitu larutan CNT hasil dari eksperimen keempat disaring dengan menggunakan filter berbahan nylon dengan ukuran 400 mesh per inch. Stirrer Dataplate PMC 750 dan ultrasonic bath Branson 3200 berturut-turut ditunjukkan dalam Gambar 3.14 dan Gambar 3.15.

Gambar 3.14 Stirrer Dataplate PMC 750

Gambar 3.15 Ultrasonic bath Branson 3200


3.3.2 Proses Spray-Coating Blok diagram proses spray-coating larutan carbon nanotube pada substrat TCO ditunjukkan dalam Gambar 3.16. Larutan carbon nanotube

Proses spray larutan pada substrat

Proses pengeringan setiap 5x spray

Variasi jumlah spray: 10x, 15x, 25x, dan 55x

Proses annealing

Counter electrode

Gambar 3.16 Blok diagram proses spray-coating counter electrode.

Proses spray-coating pada penelitian menggunakan metode multi-pass spraying. Proses spray-coating dilakukan dengan cara larutan CNT di-spray di atas substrat TCO dengan menggunakan spray gun. Jarak antara substrat dengan spray gun sebesar 20 cm. Proses pengeringan dilakukan pada suhu 100°C setiap 5x spray selama 10 menit. Counter electrode dibuat 4 variasi yaitu dengan variasi jumlah spray 10x, 15x, 25x, dan 55x. Annealing dilakukan pada suhu 450oC dalam mesin pembakar RTC L4310 selama 20 menit. Proses annealing dilakukan karena dari penelitian sebelumnya yang menggunakan bahan karbon nanoparticle sebagai counter electrode menghasilkan efiensi sel lebih baik dibandingkan dengan tanpa proses annealing (Muliani, Taryana, Hidayat, 2010) sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3.17.


Arus (mA)

14

C dianealing

12

C tidak dianealing

10 8 6 4 2 0 0

200

400

600

800

Tegangan (mV)

Gambar 3.17 Kurva I-V berdasarkan pengaruh annealing counter electrode. Counter electrode yang di-annealing menghasilkan efisiensi sel yang lebih baik dibanding dengan sel yang counter electrode-nya tanpa proses annealing. Sumber gambar: Muliani, Taryana, Hidayat, 2010

Spray gun yang digunakan dalam proses spray-coating adalah spray gun tipe WGF-130. Spray gun tipe WGF-130 mempunyai lubang dengan diameter 1 mm. Spray gun WGF-130 ditunjukkan dalam Gambar 3.18.

Gambar 3.18 Spray gun WGF-130. Spray gun berdiameter 1 mm. Volume larutan yang keluar dari spray gun dapat diatur dengan memutar pena gun.


3.4

Proses Pewarnaan Dye yang digunakan dalam proses pewarnaan sel surya dye-sensitized

adalah ruthenium dye B2 N719. Konsentrasi larutan dibuat 20 mg / 100 mℓ etanol. Proses pewarnaan dilakukan dengan cara perendaman photoelectrode di dalam larutan dye selama 24 jam. Photoelectrode yang direndam dalam larutan dye ditunjukkan dalam Gambar 3.19.

Gambar 3.19 Photoelectrode dalam larutan dye.

3.5

Proses Assembling Sel Surya Dye-Sensitized Blok diagram proses assembling sel surya dye-sensitized ditunjukkan

dalam Gambar 3.20. Proses assembling sel surya dye-sensitized dilakukan dengan cara menggabungkan dua buah electrode yaitu photoelectrode dan counter electrode dalam susunan sandwich. Dua electrode tersebut dipisahkan dengan spacer produk Dyesol Thermoplastic Sealant TPS 065093-30 ketebalan 50μm, diberi dua celah, dan dipanaskan dalam oven pada suhu 100°C selama 5 menit. Proses berikutnya ialah proses pengisisan larutan elektrolit iodium dengan cara memberikan 2-3 tetes pada sel yang telah dibuat. Tahap terakhir adalah celah ditutup dengan glass frit produk Dyesol Hermetic Sealing Compound dan didapatkan sebuah sel surya dye-sensitized.


Photoelectrode + counter electrode

Disusun dalam bentuk sandwich

Diberi spacer dari bahan termoplastik, dengan dua celah

Dipanaskan dalam oven

Diberi larutan elektrolit

Celah ditutup dengan glass frit

Sel surya dye-sensitized

Gambar 3.20 Blok diagram proses assembling sel surya dye-sensitized.

3.6

Karakterisasi Counter Electrode Karakterisasi counter electrode dalam penelitian meliputi 4 proses

karakterisasi, yaitu karakterisasi morfologi, ketebalan, transmitans, dan sheet resistance counter electrode.

3.6.1

Karakterisasi Morfologi dan Ketebalan Morfologi dan ketebalan counter electrode berbahan carbon nanotube

hasil metode spray-coating dipelajari dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM). Scanning electron microscope yang digunakan dalam penelitian adalah SEM tipe JEOL JSM seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.20. Blok diagram proses uji sampel counter electrode dengan SEM ditunjukkan dalam Gambar 3.21.


Gambar 3.20 Scanning electron microscope.

Deposisi CNT pada kaca preparat sebagai sampel

Cutting sampel

Penempatan sampel pada holder dengan double-sided conductive tape

Coating sampel dengan emas

Penempatan sampel dalam stage (chamber)

Proses vakum pada column, lensa, dan chamber

Uji SEM, diatur nilai perbesaran (magnify)

Image sampel

Gambar 3.21 Blok diagram proses uji sampel counter electrode dengan SEM.

Tahap pertama proses uji sampel counter electrode dengan SEM adalah deposisi CNT pada substrat clear glass (kaca preparat). Kaca preparat digunakan sebagai substrat karena ketebalan yang dimiliki sebesar 1 - 1,2 mm, lebih tipis


dibanding TCO yang sebesar 3 mm, sehingga mempermudah dalam proses cutting sampel. Cutting sampel dalam ukuran area sekitar 3 x 3 mm. Langkah berikutnya adalah penempatan sampel dalam sampel holder dengan double-sided conductive tape. Ada 2 posisi penempatan sampel pada sampel holder seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.22. Gambar 2.22 (a) untuk menghasilkan image morfologi sampel dan Gambar 3.22 (b) untuk mendapatkan image ketebalan sampel counter electrode.

carbon nanotube clear glass (a)

(b)

clear glass

holder

Gambar 3.22 Posisi penempatan sampel pada holder. Gambar (a) untuk menghasilkan image morfologi dan (b) untuk mendapatkan image ketebalan lapisan carbon nanotube pada counter electrode. Sampel dicoating dengan emas dan dimasukkan ke dalam sampel stage (chamber). Column, lensa, dan sampel chamber divakum selama 15 menit. Proses vakum ini bertujuan untuk menghilangkan gas dalam mikroskop. Molekulmolekul gas dalam mikroskop menyebabkan elektron akan di-scattered sehingga intensitas dan stabilitas sinar elektron berkurang. Berkurangnya intensitas dan stabilitas sinar elektron menyebabkan kontras image lebih rendah dan bayangan menjadi kabur. Sinar elektron ditembakkan pada sampel, perbesaran (magnify) divariasi, dan dihasilkan beberapa image sampel. Image sampel dalam format jpeg.

3.6.2

Pengukuran Nilai Transmitans Nilai transmitans counter electrode dengan variasi jumlah spray larutan

CNT

pada

substrat

TCO

diukur

dengan

menggunakan


UV-VIS-NIR

spectrophotometer tipe UV-3101PC Shimadzu. Gambar 3.23 menunjukkan spectrophotometer UV-3101PC Shimadzu. Blok diagram proses pengukuran nilai transmitans ditunjukkan dalam Gambar 3.24.

Gambar 3.23 UV-VIS-NIR spectrophotometer. Turn on switch, warm up selama 15 menit

Pilih menu %T, input panjang gelombang

Masukkan TCO dalam sampel compartment (sebagai reference blank)

Ganti TCO dengan counter electrode dalam sampel compartment (sebagai sampel)

Nilai transmitans sampel counter electrode

Gambar 3.24 Blok digram proses pengukuran nilai transmitans counter electrode dengan spectrophotometer. Warm up spectrophotometer dilakukan untuk memanasi tungsten sumber cahaya. Menu percent transmittance (%T) dipilih dan input panjang gelombang antara 200 - 800 nm. Kaca TCO (substrat lapisan carbon nanotube) dimasukkan ke dalam sample compartment sebagai reference blank. Nilai transmitans dari TCO adalah 100%. Langkah berikutnya adalah TCO dalam sample compartment


diganti dengan counter electrode sehingga diperoleh nilai transmitans dari counter electrode. Nilai transmitans yang berupa data persent transmitans sebagai fungsi panjang gelombang diplot dalam grafik.

3.6.3

Pengukuran Sheet Resistance Pengukuran sheet resistance counter electrode dilakukan dengan

menggunakan metode four point probe. Alat yang digunakan adalah alat tipe Alessi, Hewlett-Packard 6186C DC Current Source, dan Hewlett-Packard 3468A Multimeter. Gambar 3.25 menunjukkan alat four point probe tipe Alessi.

Gambar 3.25 Alat four point probe. Alat terdiri atas 4 buah probe: 2 probe terluar sebagai outer probe dan 2 probe dalam sebagai inner probe. Arus dialirkan pada outer probe dan beda potensial diukur pada inner probe. Nilai sheet resistance terbaca pada multimeter. Blok diagram proses pengukuran sheet resistance counter electrode ditunjukkan dalam Gambar 3.26. Outer probe (current probe) dihubungkan dengan sumber arus dan inner probe (voltage probe) dihubungkan dengan multimeter. Besar sumber arus dalam pengukuran adalah 50 mA. Counter electrode diletakkan pada plate, probe ditempelkan pada counter electrode, dan diamati nilai sheet resistance pada multimeter. Pengukuran dilakukan 5 kali setiap counter electrode dengan mengubah posisi probe pada lapisan carbon nanotube pada counter electrode.


Outer probe dihubungkan ke sumber arus

Inner probe dihubungkan ke multimeter

Arus dialirkan pada outer probe

Counter electrode diletakkan pada plate

Probe ditempelkan pada counter electrode

Sheet resistance terbaca pada multimeter

Gambar 3.26 Blok diagram proses pengukuran sheet resistance counter electrode.

3.7

Pengukuran Depletion Capacitance dan Built-in Potential Sirkuit rangkaian pengukuran depletion capacitance dan built-in potential

sel surya dye-sensitized ditunjukkan dalam Gambar 3.27. Photoelectrode dihubungkan dengan sumber tegangan positif dan counter electrode dengan sumber tegangan negatif. Sumber tegangan yang digunakan adalah sumber tegangan DC. Nilai tegangan V divariasi untuk tiap interval 0,1 V dan diamati nilai kapasitans C. Data diplot dalam grafik dengan ordinat grafik berupa 1/C2 dan tegangan V sebagai absis grafik. Perpotongan grafik dengan sumbu absis merupakan nilai dari built-in potential V bi . photoelectrode

counter electrode DSSC

V

F

Gambar 3.27 Sirkuit rangkaian pengukuran depletion capacitance dan built-in potential sel surya dye-sensitized. Nilai kapasitans C (dalam μF) merupakan fungsi dari tegangan V.


3.8

Karakterisasi I-V dan Efisiensi Sel Surya Dye-Sensitized Langkah pertama pada tahap ini adalah karakterisasi sel dalam kondisi

gelap. Sel diberi tegangan forward bias dan diukur arus I untuk setiap tegangan V yang diberikan. Sirkuit rangkaian pengukuran ditunjukkan dalam Gambar 3.28.

photoelectrode


A

V

Gambar 3.28 Sirkuit rangkaian pengukuran karaktristik I-V sel dalam kondisi gelap. Arus I diamati untuk setiap tegangan V yang diberikan pada sel. Tahap berikutnya adalah pengukuran karakteristik I-V dan efisiensi sel dalam kondisi sel disinari (illuminated). Pengukuran dilakukan dengan menggunakan dua metode, yaitu metode manual dan metode komputerisasi.

3.8.1

Metode Manual Sirkuit rangkaian pengukuran karakteristik I-V dan efisiensi sel

ditunjukkan dalam Gambar 3.29. photoelectrode


V

A

Gambar 3.29 Sirkuit rangkaian pengukuran karakteristik I-V dan efisiensi sel. Sel disinari dari arah photoelectrode. Divariasi resistor variabel R, diamati nilai tegangan V dan arus I.


Sel disinari dalam solar simulator Oriel AM1.5 dengan intensitas cahaya sebesar 35 mW/cm2. Solar simulator ditunjukkan dalam Gambar 3.30. Besar arus I dan tegangan V diukur dengan multimeter dengan variasi beban resistor R. Data arus I dan tegangan V diolah dan diplot dalam grafik sehingga didapat parameterparameter karakteristik I-V sel surya dye-sensitized yang terdiri atas tegangan hubung terbuka (open circuit voltage) V oc , arus hubung singkat (short circuit current) I sc , tegangan maksimum V m , arus maksimum I m , daya maksimum P max , fill factor FF, dan efisiensi sel η.

Gambar 3.30 Solar simulator. Tipe Oriel AM1.5 dengan intensitas 35 mW/cm2.

3.8.2

Metode Komputerisasi Alat-alat yang digunakan dalam pengukuran dengan metode komputerisasi

adalah solar simulator Oriel Model 81193, National Instruments NI PXI-1033, I/O Connector NI SCC-68 (Gambar 3.31), software LabVIEW (Gambar 3.32), dan komputer. Sel surya dye-sensitized diletakkan dalam solar simulator, diatur intensitas cahaya simulator, dan dengan metode komputerisasi, data dan grafik parameter-parameter karakteristik I-V sel surya dye-sensitized didapat.


Gambar 3.31 NI PXI-1033 dan I/O Connector NI SCC-68

Gambar 3.32 Software LabVIEW. Di window LabVIEW terdapat kurva I-V dan parameter-parameter karakteristik I-V sel surya dye-sensitzed.

3.9

Inventarisasi Alat, Bahan, dan Parameter Proses Penelitian Inventarisasi alat, bahan, dan parameter proses penelitian tentang

pengembangan counter electrode berbasis carbon nanotube dengan metode spraycoating untuk aplikasi sel surya dye-sensitized secara umum ditunjukkan dalam Tabel 3.1.


Tabel 3.1 Inventarisasi alat, bahan, dan parameter proses penelitian Komponen Substrat

Photoelectrode

Counter electrode

Alat - Pemotong kaca - Mistar - Gelas ukur - Penjepit - Mesin printing de Haart Model Po. SP SA 10 - Screen maker Richmond Model 3000TT - Nylon screen 400 mesh per inch - Mesin pembakar RTC L4-310 - Spray gun WGF130 - Stirrer Dataplate PMC750 - Ultrasonic bath Branson 3200 - Mesin pembakar RTC L4-310 - Magnetic stirrer - Gelas ukur

Bahan - TCO glass TEC15 Dyesol - Air sabun, alkohol - Larutan aseton - Pasta nc-TiO 2 DSL 18 NR-AO - Kertas Ulanoline 10x10 cm - Emulsi Ulanoline 133 - Air - Alkohol

Parameter Proses - Pemotongan - Pencucian

- Pembuatan larutan CNT - Proses SprayCoating - Annealing

Dye

- Gelas ukur

- Multi-walled carbon nanotube, produk Helix Material Solution, Inc., MWNT12950030-00, diameter 10-30nm - Air, alkohol - Hidroxyethylcellulose - Triton X-100 - Thinner - Dye B2 N719

Elektrolit

- Pipet

- Iodium

Spacer

- Penjepit - Oven

Dyesol Thermoplastic Sealant TPS 065093-30

- Pembuatan screen - Proses printing - Annealing

- Pewarnaan/ perendaman - Pengisian elektrolit


3.10

Tempat dan Waktu Penelitian Tempat dan waktu penelitian tentang pengembangan counter electrode

berbasis carbon nanotube dengan metode spray-coating untuk aplikasi sel surya dye-sensitized adalah: Tempat penelitian: Laboratorium Mikroelektronika dan Bahan Komponen Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Kampus LIPI, Jl. Sangkuriang Gd. 20 Lt. 4 Bandung 40135, Indonesia Telp. 022-2504660 Faks. 022-2504659 Website: www.ppet.lipi.go.id Tempat uji material:  Laboratorium Mikroelektronika PPET LIPI Bandung  Laboratorium Ilmu Material, Program Pascasarjana Ilmu Material, Universitas Indonesia, Salemba, Jakarta  Laboratorium SEM EDX, Pusat Pengembangan Geologi Kelautan (PPGL) Bandung  Laboratorium Kimia Analitik, Institut Teknologi Bandung (ITB) Waktu: Januari - Juni 2011


BAB IV HASIL DAN ANALISIS

Bab hasil dan analisis merupakan bab yang berisi tentang hasil-hasil penelitian pengembangan counter electrode berbasis carbon nanotube dengan metode

spray-coating

untuk

aplikasi

sel

surya

dye-sensitized

beserta

pembahasannya. Hasil dan pembahasan tersebut meliputi hasil dan analisis mengenai preparasi substrat transparent conducting oxide, proses screen printing photoelectrode, proses spray-coating counter electrode, proses pewarnaan, proses assembling sel surya dye-sensitized, karakterisasi counter electrode, pengukuran depletion capacitance dan built-in potential, serta hasil dan analisis tentang karakterisasi I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized.

4.1

Preparasi Substrat Transparent Conducting Oxide (TCO) Transparent conducting oxide (TCO) dalam penelitian dibuat dalam

ukuran 2x2 cm dengan alasan bahwa area aktif sel surya dye-sensitized sebesar 1x1 cm. Hasil preparasi substrat TCO ditunjukkan dalam Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Substrat TCO dengan ukuran 2x2 cm. TCO digunakan sebagai substrat photoelectrode dan counter electrode.


Perendaman dan pencucian TCO dengan menggunakan air sabun menghasilkan kotoran dan minyak yang menempel di permukaan TCO dapat hilang. Sisa-sisa air sabun dapat dibersihkan dengan alkohol dan larutan aseton digunakan sebagai penghilang bekas tinta yang menempel di permukaan TCO. Tiga tahap pencucian menghasilkan TCO yang bersih dan terbebas dari kotoran sehingga siap digunakan sebagai substrat dalam proses screen printing photo electrode dan proses spray-coating counter electrode dalam pembuatan sel surya dye-sensitized.

4.2

Proses Screen Printing Photoelectrode Hasil proses screen printing photoelectrode yang berupa deposisi lapisan

TiO 2 pada substrat TCO ditunjukkan dalam Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Photoelectrode hasil deposisi lapisan TiO 2 . Warna putih menunjukkan area aktif sel surya dye-sensitized dan warna bening merupakan luasan TCO. Luas deposisi lapisan TiO 2 berukuran 1x1 cm, luasan ini merupakan daerah aktif sel surya dye-sensitized. Ketebalan lapisan hasil dua kali proses printing sebesar 5-8 μm. Ketebalan ini menghasilkan efisiensi sel surya terbaik. Semakin tebal lapisan, semakin luas area TiO 2 dalam penyerapan dye. Namun di sisi lain, terlalu tebal lapisan TiO 2 maka semakin lebar jarak elektron mencapai anoda, elektron telah mengalami rekombinasi sebelum mencapai anoda. Rekombinasi elektron menyebabkan berkurangnya elektron yang mengalir di


sirkuit, yang akhirnya berkurang pula elektron di counter electrode. Berkurangnya jumlah elektron yang mengalir mengurangi jumlah reaksi redoks dan efisiensi sel. Oleh karena itu ada ketebalan optimum dalam photoelectrode. Struktur morfologi photoelectrode hasil scanning electron microscope (SEM) ditunjukkan dalam Gambar 4.3. Foto SEM photoelectrode dengan perbesaran 40.000x dan skala 0,5 μm menunjukkan partikel-partikel TiO 2 dengan dimensi nanometer. Hal ini menunjukkan bahwa ada banyak area sentuh photoelectrode dengan dye. Semakin luas bidang sentuh, semakin meningkat penyerapan cahaya oleh sel. Peningkatan penyerapan ini berpengaruh terhadap karakteristik I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized.

Gambar 4.3 Foto SEM photoelectrode. Partikel TiO 2 berdimensi nanometer sehingga memperluas area sentuh dengan dye. 4.3

Proses Spray-Coating Counter Electrode Proses spray-coating counter electrode diawali dengan proses pembuatan

larutan carbon nanotube CNT. Larutan ini dalam penelitian dibuat dalam beberapa kali eksperimen. Eksperimen pertama, larutan dibuat dengan mencampurkan serbuk CNT dengan air, kemudian diaduk dengan menggunakan stirrer. Hasilnya kelarutan serbuk CNT dalam air tidak optimal. Eksperimen kedua, serbuk CNT dicampur dengan air, dan dimasukkan ke dalam ultrasonic bath untuk proses sonikasi. Eksperimen kedua juga menghasilkan tingkat kelarutan CNT yang rendah. Kedua eksperimen tersebut menghasilkan larutan


CNT yang tidak optimal karena bundle CNT tidak dapat dipisah (diurai) sehingga kelarutan CNT menjadi kecil. Eksperimen ketiga, serbuk CNT dilarutkan dalam hydroxyethylcellulose, triton, dan air. Larutan dimasukkan ke dalam ultrasonic bath untuk proses sonikasi. Hasil eksperimen ketiga adalah didapat larutan CNT dengan tingkat kelarutan yang lebih baik dibanding eksperimen pertama dan kedua. Eksperimen keempat, larutan CNT dibuat dengan komposisi dan metode seperti pada eksperimen ketiga, hanya air diganti dengan thinner. Eksperimen keempat menghasilkan larutan terbaik, bundle CNT dapat diurai, dan siap untuk digunakan dalam proses spray-coating. Uji coba proses spray-coating dengan menggunakan larutan CNT hasil eksperimen keempat didapat hasil yaitu masih dijumpai gumpalan-gumpalan CNT, sehingga permukaan coating tidak rata. Hal ini dapat diatasi dengan eksperimen kelima, yaitu larutan CNT disaring dengan menggunakan filter. Hasil proses pembuatan larutan CNT ditunjukkan dalam Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Larutan carbon nanotube. Larutan digunakan sebagai bahan deposisi lapisan CNT pada counter electrode. Proses spray-coating counter electrode dalam penelitian menggunakan metode multi-pass spraying, penyemprotan dan pengeringan lapisan dilakukan lebih dari satu kali, dengan dicirikan oleh semprotan yang tipis dan berulangulang. Metode ini menghasilkan variasi jumlah volume spraying dan permukaan


coating yang rata. Counter electrode berbahan carbon nanotube hasil proses spray-coating ditunjukkan dalam Gambar 4.5.

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.5 Counter electrode berbahan carbon nanotube. Gambar (a), (b), dan (c) menunjukkan counter electrode dengan jumlah spray 10x, 25x, dan 55x. Counter electrode terlihat lebih transparan karena volume spraying lebih sedikit. Semakin sedikit jumlah spraying, semakin transparan dan tipis deposisi lapisan CNT pada counter electrode.

4.4

Proses Pewarnaan Hasil proses pewarnaan yang dilakukan dengan cara perendaman photo-

electrode di dalam larutan dye selama 24 jam ditunjukkan dalam Gambar 4.6.

Gambar 4.6 Hasil proses pewarnaan. Warna photoelectrode yang semula putih berubah menjadi kecoklatan. Hal ini berarti dye telah meresap ke partikel TiO 2 .


Hasil pengukuran absorbans larutan rutenium dye konsentrasi 20 mg / 100 mℓ etanol sebagai fungsi panjang gelombang cahaya ditunjukkan dalam Gambar 4.7. Grafik menunjukkan bahwa area penyerapan cahaya larutan rutenium dye berkisar di antara panjang gelombang 400 nm sampai dengan 700 nm. Hal ini berarti larutan rutenium dye mampu menyerap cahaya dengan spektrum cahaya tampak (dari violet sampai dengan merah). Semakin luas area penyerapan

Absorbance

spektrum cahaya, semakin baik karakteristik dan efisiensi sel.

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 400

500

600

700

800

Wavelength

Gambar 4.7 Grafik absorbans larutan rutenium dye. Larutan rutenium dye mampu menyerap spektrum cahaya dari panjang gelombang 400 nm hingga 700 nm. Sumber: Muliani, Taryana, Hidayat, 2010

Waktu perendaman photoelectrode di dalam larutan dye selama 24 jam memberikan hasil grafik fungsi absorbans photoelectrode sebagai fungsi panjang gelombang cahaya seperti dalam Gambar 4.8.


3

24 jam 5 jam

Absorbance

2.5 2 1.5 1 0.5 0 250

450

650

850

Panjang gelombang (nm)

Gambar 4.8 Grafik absorbans photoelectrode. Perendaman dalam waktu yang lebih lama menghasilkan absorbans yang lebih tinggi. Sumber: Muliani, Taryana, Hidayat, 2010

Grafik menunjukkan bahwa photoelectrode yang telah direndam dalam dye mampu menyerap cahaya dengan spektrum cahaya tampak (dari violet sampai dengan merah). Semakin luas area penyerapan spektrum cahaya, semakin baik karakteristik dan efisiensi sel. Waktu perendaman 24 jam juga menghasilkan nilai penyerapan yang tinggi dibanding dengan perendaman selama 5 jam. Semakin lama proses perendaman, semakin baik karakteristik dan efisiensi sel. Hal inilah yang menjadi keunggulan sel surya dye-sensitized, yaitu mampu menyerap spektrum cahaya yang luas dari ultraviolet sampai dengan merah.

4.5

Proses Assembling Sel Surya Dye-Sensitized Hasil proses assembling sel surya dye-sensitized ditunjukkan dalam

Gambar 4.9.


Gambar 4.9 Hasil assembling sel surya dye-sensitized. Sel terdiri atas photoelectrode TiO 2 dan rutenium dye, larutan elektrolit iodium, dan counter electrode carbon nanotube. Photoelectrode dan counter electrode disusun dalam susunan sandwich dan dipisahkan dengan spacer dari bahan thermoplastic. Ketebalan thermoplastic sebesar 50 μm. Ketebalan ini dapat dijadikan sebagai ruang untuk pengisian larutan elektrolit iodin dalam sel. Hasil assembling pada pembahasan berikutnya akan diukur dan dianalisis karakteristik I-V dan efisiensi selnya.

4.6

Karakterisasi Counter Electrode Hasil dan analisis karakterisasi counter electrode dalam penelitian

meliputi 4 parameter yaitu karakterisasi morfologi, ketebalan, nilai transmitans, dan sheet resistance counter electrode.

4.6.1

Karakterisasi Morfologi Struktur morfologi serbuk carbon nanotube hasil scanning electron

microscope (SEM) model JEOL JSM-6360 ditunjukkan dalam Gambar 4.10.


Gambar 4.10 Foto SEM serbuk carbon nanotube. Foto SEM menunjukkan sekumpulan carbon nanotube yang berbentuk tabung dan saling tindih. Foto SEM counter electrode berbahan carbon nanotube hasil proses spraycoating ditunjukkan dalam Gambar 4.11.

(a)

(b)

Gambar 4.11 Foto SEM counter electrode berbahan carbon nanotube. Gambar (a) dan (b) berturut-turut menunjukkan morfologi lapisan carbon nanotube pada counter electrode dengan spray 5x dan 10x. Morfologi serbuk CNT (Gambar 4.10) dan counter electrode berbahan CNT (Gambar 4.11) hasil foto SEM dengan perbesaran 40.000x dan skala 0,5 μm menunjukkan sekumpulan bentuk tabung-tabung yang saling bertindih. Foto SEM dengan spray 5x dipilih karena sebagai pembanding dalam variasi counter electrode. Foto SEM menunjukkan bahwa semakin banyak spray, semakin banyak jumlah tabung-tabung yang saling bertindih membentuk pola tiga-dimensi dan banyak dijumpai rongga. Hal ini menunjukkan bahwa ada banyak area sentuh


counter electrode dengan ion-ion larutan elektrolit iodium. Semakin luas bidang sentuh, semakin meningkat reaksi redoks dalam sel. Peningkatan reaksi redoks berpengaruh positif terhadap karakteristik I-V dan efisiensi sel surya dyesensitized. Pengaruh luas bidang sentuh counter electrode dengan larutan elektrolit terhadap karakteristik dan efisiensi sel akan dibahas dalam sub pembahasan berikutnya.

4.6.2

Pengukuran Ketebalan Ketebalan deposisi larutan carbon nanotube counter electrode hasil foto

SEM ditunjukkan dalam Gambar 4.12.

Lapisan CNT

Glass

Lapisan CNT

(a)

Glass

(b)

Gambar 4.12 Foto SEM ketebalan lapisan carbon nanotube pada counter electrode. Gambar (a) dan (b) berturut-turut menunjukkan spray 10x dan 15x.

Foto SEM dengan perbesaran 10.000x dan skala 1 μm, terlihat bahwa lapisan CNT 15x spray lebih tebal dibanding dengan lapisan CNT 10x spray. Dengan pendekatan dari foto SEM, ketebalan lapisan CNT 10x dan 15x spray berturut-turut adalah sebesar 1 μm d an 2-3 μm. Hal ini menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah spray, semakin tebal lapisan CNT pada counter electrode. Variasi ketebalan ini akan dibahas pengaruhnya terhadap nilai sheet resistance counter electrode pada sub pembahasan berikutnya.


4.6.3

Pengukuran Nilai Transmitans Grafik nilai transmitans counter electrode hasil pengukuran dengan

menggunakan spektrofotometer ditunjukkan dalam Gambar 4.13. Sampel yang diukur adalah counter electrode dengan 10x dan 15x spray, dan 5x spray sebagai pembanding. Grafik menunjukkan bahwa semakin banyak spray, yang berarti semakin tebal lapisan, maka semakin kecil nilai transmitansnya. Parameter nilai transmitans ini akan dibahas pengaruhnya terhadap karakteristik dan efisiensi sel pada sub pembahasan berikutnya.

Gambar 4.13 Nilai transmitans counter electrode. Counter electrode dengan spray sedikit menghasilkan nilai transmitans yang lebih tinggi. 4.6.4

Pengukuran Sheet Resistance Data hasil pengukuran sheet resistance counter electrode dengan

menggunakan metode four point probe ditunjukkan dalam Tabel 4.1. Data dari Tabel 4.1 menunjukkan bahwa semakin banyak volume spraying, yang berarti semakin tebal lapisan CNT pada counter elektrode (sub pembahasan 4.6.2) maka semakin kecil nilai sheet resistance counter electrode. Semakin kecil nilai sheet resistance elektroda, semakin baik karakteristik I-V dan efisiensi sel surya dyesensitized. Nilai sheet resistance keempat counter electrode hasil penelitian adalah sebesar 16,77; 16,67; 16,51; dan 16,42 Ω/sq.


Tabel 4.1 Data sheet resistance counter electrode

Pengukuran

4.7

1

R sheet 10x spray (Ω/sq) 16,76




2

16,80

16,64

16,57

16,48

3

16,71

16,87

16,51

16,88

4

16,76

16,63

16,46

16,47

5

16,82

16,61

16,52

16,11

Rata-rata

16,77

16,67

16,51

16,42

Pengukuran Depletion Capacitance dan Built-in Potential Data hasil pengukuran depletion capacitance C sebagai fungsi beda

potensial V pada sel surya dye-sensitized dengan berbagai variasi spray carbon nanotube pada counter electrode ditunjukkan dalam Tabel 4.2. Besar kapasitans sel surya berbanding terbalik dengan jumlah spray carbon nanotube pada counter electrode. Sel surya dibuat dengan spacer berketebalan 50 μm. Ketebalan ini merupakan space yang mencakup dua buah elektroda, yaitu photoelectrode dan counter electrode, dan larutan iodium seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.14. Tabel 4.2 Data pengukuran depletion capacitance C sebagai fungsi tegangan V pada sel dengan variasi spray carbon nanotube pada counter electrode.

V (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

10x CNT 3.8 4.3 5.4 6.8 7.0 7.5 11.7 16.8 20.0

C (μF) 15x CNT 25x CNT 3.8 4.1 4.3 4.7 5.5 6.3 6.8 7.8 7.3 8.1 7.5 8.8 11.8 13.0 17.0 22.5 20.3 26.4

55x CNT 4.2 5.8 6.9 8.3 9.6 10.4 15.1 22.9 26.7


Substrat TCO Photoelectrode Space 50 μm

Iodium

d

Counter electrode Substrat TCO

Gambar 4.14 Penampang sel surya dye-sensitized. Sel dibentuk oleh dua buah elektroda, photoelectrode dan counter electrode, dengan space 50 μm. Nilai depletion capacitance C dipengaruhi oleh jarak d, yaitu jarak antar dua elektroda. Jumlah spray yang lebih banyak menyebabkan ketebalan lapisan carbon nanotube pada counter electrode bertambah. Semakin tebal counter electrode, semakin kecil jarak d dalam sel sehingga semakin besar kapasitans sel. Kapasitans C sebanding dengan area A dan berbanding terbalik dengan jarak antar elektroda d, sesuai persamaan C = εA / d. Kurva hasil pengukuran depletion capacitance C sebagai fungsi beda potensial V pada sel surya dye-sensitized dengan berbagai variasi spray carbon nanotube pada counter electrode ditunjukkan dalam Gambar 4.15. Sumbu vertikal (ordinat) merupakan besaran 1/C j 2 dan sumbu horisontal (absis) adalah beda potensial V. Persamaan (8) dalam sub bab 2.1.7 menunjukkan bahwa 1/C j 2 = 2(V bi - V) / qεN B , yang berarti ketika nilai 1/C j 2 = nol, maka besar built-in potential V bi = V, yaitu perpotongan kurva dengan sumbu horisontal. Besar built-in potential masing-masing sel dengan variasi spray carbon nanotube pada counter electrode 10x, 15x, 25x, dan 55x berturut-turut adalah sebesar 0,82 V; 0,81 V; 0.80 V; dan 0,79 V. Built-in potential sel lebih rendah pada sel dengan counter electrode yang lebih tebal, hal ini disebabkan oleh jarak antar elektroda menjadi lebih pendek sehingga elektron lebih mudah meloncat.


0.08 CNT 10x Spray CNT 15x Spray CNT 25x Spray

0.07

CNT 55x Spray Linear (CNT 10x Spray) Linear (CNT 15x Spray) Linear (CNT 25x Spray)

0.06

Linear (CNT 55x Spray)

1/Cj2 ((μF/cm)-2)

0.05

0.04 y (cnt 10x) = -0.079x + 0.065 y (cnt 15x) = -0.079x + 0.064

0.03

y (cnt 25x) = -0.067x + 0.054 y (cnt 55x) = -0.057x + 0.045 0.02

0.01

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

V (V)

Gambar 4.15 Kurva 1/C j 2 vs V pada sel surya dye-sensitized dengan berbagai variasi spray carbon nanotube pada counter electrode. Perpotongan kurva pada sumbu horisontal merupakan nilai built-in potential V bi .


Built-in potential sel surya dye-sensitized dengan counter electrode berbahan platina digunakan sebagai pembanding. Kurva pada Gambar 4.16 menunjukkan bahwa nilai built-in potential sebesar 0,83 V.

0.08 0.07 Platina Linear (Platina)

1/Cj2 ((μF/cm)-2)

0.06 0.05 0.04 0.03 0.02

y (Pt) = -0.059x + 0.049 0.01 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

V (V)

Gambar 4.16 Kurva 1/C j 2 vs V pada sel surya dye-sensitized dengan counter electrode berbahan platina. Built-in potential sebesar 0,83 V.

4.8

Karakteristik I-V dan Efisiensi Sel Surya Dye-Sensitized

Karakteristik I-V Sel dalam Kondisi Gelap Kurva karakteristik I-V sel dalam kondisi gelap ditunjukkan dalam Gambar 4.17. Kurva menunjukkan pola yang melengkung, hanya tidak menunjukkan kurva yang ideal. Besar built-in potential sel sebagaimana pada pembahasan sebelumnya adalah sekitar 0,8 V. Hal ini berarti secara ideal arus listrik pada sel akan naik setelah diberi tegangan 0,8 V. Kurva menunjukkan, arus naik sebesar 0,02 mA saat sel diberi tegangan 0,1 V. Arus berikutnya pada 0,05


mA saat tegangan 0,2 V. Kenaikan tegangan dengan interval 0,1 V menyebabkan kenaikan arus I dengan interval yang semakin tinggi.

0.7

0.6

0.5

I (mA)

0.4

0.3 10x CNT 15x CNT 25x CNT 55x CNT Poly. (10x CNT) Poly. (15x CNT) Poly. (25x CNT) Poly. (55x CNT)

0.2

0.1

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

V (V)

Gambar 4.17 Kurva karakteristik I-V sel dalam kondisi gelap. Kenaikan tegangan dengan interval 0,1 V menyebabkan kenaikan arus I dengan interval yang semakin tinggi. Arus listrik sel dengan variasi counter electrode 10x, 15x, 25x, dan 55x spray carbon nanotube pada tegangan 0,6 V berturut-turut adalah sebesar 0,45; 0,46; 0,54; dan 0,58 mA. Built-in potential pada sel berturu-turut adalah 0,82 V; 0,81 V; 0.80 V; dan 0,79 V. Semakin rendah built-in potential, semakin mudah arus listrik mengalir pada sel. Gambar 4.18 adalah kurva karakteristik I-V sel dengan counter electrode berbahan platina dalam kondisi gelap. Kurva juga memberi pola melengkung,


tetapi tidak ideal. Pembahasan sebelumnya menyebutkan, built-in potential sel dengan elektroda platina adalah sebesar 0,83 V.

0.7

0.6

0.5

I (mA)

0.4

0.3

0.2 Platina

0.1

Poly. (Platina) 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

V (V)

Gambar 4.18 Kurva karakteristik I-V sel dengan counter electrode berbahan platina dalam kondisi gelap. Kurva karakteristik I-V sel dalam kondisi gelap pada Gambar 4.17 dan Gambar 4.18 dapat memberikan informasi besar arus saturasi I s dari masingmasing sel. Informasi besar arus saturasi I s sel dapat diperoleh dengan cara persamaan I = I s exp (qV/k B T) diubah menjadi ln I = (q/k B T)V + ln I s . Data diplot ke dalam grafik, dengan ln I sebagai ordinat, V sebagai absis, q/k B T sebagai slope (kemiringan grafik), dan ln I s sebagai titik potong grafik dengan sumbu ordinat. Gambar 4.19 menunjukkan kurva ln I sebagai fungsi V pada sel dengan counter electrode carbon nanotube.


7 y (cnt 10x) = 6.177x + 2.741 y (cnt 15x) = 6.233x + 2.730 y (cnt 25x) = 6.622x + 2.669 y (cnt 55x) = 6.703x + 2.649

6

ln I

5

4 10x CNT 15x CNT 25x CNT 55x CNT Linear (10x CNT) Linear (15x CNT) Linear (25x CNT) Linear (55x CNT)

3

2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

V (V)

Gambar 4.19 Kurva ln I sebagai fungsi V pada sel dengan counter electrode carbon nanotube. Titik potong grafik dengan sumbu ordinat memberikan informasi besar arus saturasi I s sel. Titik potong grafik dengan sumbu ordinat untuk masing-masing sel dengan jumlah spray carbon nanotube pada counter electrode 10x, 15x, 25x, dan 55x berturut-turut adalah 2,741; 2,730; 2,669; dan 2,649. Titik-titik perpotongan ini memberikan nilai arus saturasi sel I s yaitu 15,5 μF; 15,3 μF; 14,4 μF; dan 14,1 μF. Semakin kecil nilai arus saturasi, semakin baik komposisi material dalam sel. Gambar 4.20 menunjukkan kurva ln I sebagai fungsi V pada sel dengan counter electrode platina. Titik potong grafik dengan sumbu ordinat adalah 2,759. Titik perpotongan ini memberikan informasi nilai arus saturasi sel I s dengan counter electrode platina sebesar 15,8 μF.


7

6

5 ln I

Platina Linear (Platina) 4 y (Pt) = 6.345x + 2.759

3

2 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

V (V)

Gambar 4.20 Kurva ln I sebagai fungsi V pada sel dengan counter electrode platina. Titik potong grafik dengan sumbu ordinat adalah 2,759 sehingga arus saturasi sel I s sebesar 15,8 μF.

Karakteristik I-V Sel dalam Kondisi Disinari Data arus I dan tegangan V sel surya dye-sensitized dalam kondisi sel disinari hasil pengukuran dengan variasi counter electrode hasil spray CNT 10x, 15x, 25x, dan 55x berturut-turut ditunjukkan dalam Lampiran 1, Lampiran 2, Lampiran 3, dan Lampiran 4. Data tersebut diplot dalam kurva I-V seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.21. Kurva I-V hasil pengukuran komputerisasi ditunjukkan dalam Lampiran 5 dan Lampiran 6. Data parameter I-V dan efisiensi sel hasil pengukuran ditunjukkan dalam Tabel 4.3 berikut.


Tabel 4.3 Parameter I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized dengan berbagai jenis counter electrode berbahan carbon nanotube dengan variasi spray 10x, 15x, 25x, dan 55x. Counter electrode CNT 10x spraying CNT 15x spraying CNT 25x spraying CNT 55x spraying

V oc (mV)

I sc (mA)

Vm (mV)

Im (mA)

P max (mW)

FF

η (%)

82,7

1,29

36,5

0,72

0,03

0,24

0,07

108,4

1,82

50,3

0,99

0,05

0,25

0,14

404,0

3,39

224,0

1,87

0,42

0,30

1,19

596,0

3,40

313,0

2,13

0,67

0,36

1,90

Nilai terbaik karakteristik I-V dan efisiensi sel terbesar didapat pada sel dengan counter electrode berbahan carbon nanotube sebanyak 55x spray, yaitu tegangan hubung terbuka (open circuit voltage) V oc = 596 mV, arus hubung singkat (short circuit current) I sc = 3,40 mA, tegangan maksimum V m = 313,0 mV, arus maksimum I m = 2,13 mA, daya maksimum P max = 0,67 mW, fill factor FF = 0,36 dan efisiensi sel η = 1,90 %.


3.5 CNT 55x Spray CNT 25x Spray CNT 15x Spray CNT 10x Spray

3

2.5

Arus (mA)

2

1.5

1

0.5

0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Tegangan (mV)

Gambar 4.21 Kurva I-V sel dengan counter electrode carbon nanotube. Sel dengan jumlah spray lebih banyak menghasilkan karakteristik I-V dan efisiensi sel yang lebih baik.


Faktor Ketebalan Lapisan CNT pada Counter Electrode Kurva I-V (Gambar 4.21) hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik I-V dan efisiensi sel terbaik didapat pada counter electrode dengan 55x spray. Counter electrode tersebut mempunyai ketebalan yang paling besar dibanding counter electrode yang lain. Dengan pendekatan dari foto SEM (Gambar 4.12) didapat bahwa spraying 10x menghasilkan ketebalan lapisan sebesar 1 μm dan spraying 15x sebesar 2-3 μm. Semakin tebal lapisan CNT pada counter electrode, semakin luas area sentuh counter electrode dengan larutan elektrolit, serta semakin kecil nilai transmitans dan sheet resistance counter electrode. Semakin tebal lapisan CNT, semakin baik karakteristik I-V dan efisiensi sel. Penelitian terdiri atas 4 variasi ketebalan lapisan CNT pada counter electrode, sehingga tidak sampai pada tahap penelitian tentang ketebalan optimum lapisan CNT pada counter electrode yang menghasilkan karakteristik I-V dan efisiensi sel terbaik.

Faktor Area Sentuh Counter Electrode dengan Larutan Elektrolit Morfologi lapisan CNT pada counter electrode (Gambar 4.11) menunjukkan bahwa spray 5x (Gambar 4.11(a)) menghasilkan foto morfologi lapisan berupa sekumpulan tabung-tabung yang saling tindih. Gambar 4.11(b) yang berupa foto morfologi lapisan dengan spray 10x menghasilkan bentuk yang serupa (tabung-tabung yang saling bertindih), tetapi dengan jumlah yang lebih banyak. Semakin banyak jumlah tabung (yang saling tindih membentuk pola tiga dimensi), semakin luas area sentuh counter electrode dengan larutan elektrolit. Counter electrode berperan sebagai katalis reaksi redoks dalam sel surya dye-sensitized. Counter electrode mereduksi ion triiodide I 3 - menjadi iodide Imelalui proses I 3 - + 2e- → 3I-. Kurva I-V sel (Gambar 4.21) menunjukkan bahwa spray 55x menghasilkan efisiensi sel terbaik. Dari foto SEM (Gambar 4.11(b)) menunjukkan bahwa ada banyak tabung yang saling tindih sehingga semakin luas area sentuh counter electrode dengan larutan elektrolit. Semakin luas area sentuh, semakin meningkat reaksi redoks dalam sel. Semakin meningkat reaksi redoks, semakin baik karakteristik dan efisiensi sel.


Faktor Sheet Resistance Counter Electrode Nilai sheet resistance counter electrode dengan variasi spray 10x, 15x, 25x, dan 55x berturut-turut adalah sebesar 16,77; 16,67; 16,51; dan 16,42 Ω/sq (Tabel 4.1). Kurva I-V sel (Gambar 4.21) menunjukkan bahwa karakteristik dan efisiensi sel naik berbanding terbalik dengan nilai sheet resistance counter electrode. Efisiensi sel tertinggi 1,90% pada counter electrode dengan sheet resistance 16,42 Ω/sq, dan efisiensi sel terendah 0,07% pada counter electrode dengan sheet resistance 16,77 Ω/sq. Elektron lebih mudah mengalir di counter electrode dengan sheet resistance rendah sehingga reaksi redoks di sel lebih meningkat. Peningkatan reaksi redoks berdampak positif terhadap karakteristik dan efisiensi sel.

Faktor Transmitans Counter Electrode Sel surya dye-sensitized pada penelitian menggunakan sumber cahaya penyinaran dari satu arah, yaitu dari arah photoelectrode (front-electrode). Saat foton mengenai photoelectrode, sebagian dipantulkan, sebagian diserap, dan sisanya diteruskan. Foton yang diteruskan oleh photoelectrode mengenai larutan elektrolit dan counter electrode. Saat mengenai counter electrode, foton juga mengalami hal yang sama saat mengenai photoelectrode, yaitu sebagian dipantulkan, sebagian diserap, dan sisanya diteruskan. Grafik nilai transmitans counter electrode hasil pengukuran dengan menggunakan spektrofotometer ditunjukkan dalam Gambar 4.13. Grafik menunjukkan bahwa semakin banyak spraying, yang berarti semakin tebal lapisan, maka semakin kecil nilai transmitansnya. Kurva I-V sel (Gambar 4.21) menunjukkan bahwa karakteristik dan efisiensi sel dengan counter electrode 15x spray lebih baik dibanding dengan 10x spray. Nilai transmitans counter electrode dengan 15x spray lebih rendah dibanding dengan 10x spray. Semakin rendah nilai transmitans, semakin sedikit foton yang diteruskan oleh counter electrode, yang berarti semakin banyak jumlah foton dalam sel. Semakin banyak foton dalam sel, semakin banyak elektron yang dihasilkan, yang pada akhirnya meningkatkan karakteristik dan efisiensi sel.


Counter Electrode TCO dan Platina Sel surya dye-sensitized dengan counter electrode TCO dan platina digunakan sebagai pembanding dalam penelitian. Kedua sel surya dye-sensitized tersebut menggunakan bahan dan metode yang sama seperti pada sel surya dye-sensitized dengan counter electrode CNT. Bahan yang dimaksud adalah substrat, photoelectrode, dye, dan elektrolit, serta metode berupa screen-printing photoelectrode dan assembling sel. Nilai sheet resistance counter electrode TCO sebesar 18,36Ω/sq dan platina sebesar 2,66Ω/sq. Kurva

I-V sel dengan counter electrode TCO dan

platina ditunjukkan dalam Gambar 4.22 dan data parameter karakteristik listrik sel dalam Tabel 4.4.

Tabel 4.4 Parameter I-V dan efisiensi sel dengan counter electrode TCO dan platina. V oc

I sc

Vm

Im

P max

electrode

(mV)

(mA)

(mV)

(mA)

(mW)

TCO

6,1

0,07

-

-

-

-

-

Platina

664

4,07

461

3,14

1,45

0,54

4,13


FF

η

Counter

(%)

4.5 Platina TCO

4

3.5

Arus (mA)

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Tegangan (mV)

Gambar 4.22 Kurva I-V sel dengan counter electrode TCO dan platina. Sel dengan counter electrode platina menghasilkan efisiensi sel sebesar 4,13%.


Kurva I-V sel surya dye-sensitized dengan counter electrode TCO (Gambar 4.22) menunjukkan bahwa arus I dan tegangan V yang diperoleh sangat kecil, yaitu I sc = 0,07 mA dan V oc = 6,1 mV. Hal ini menunjukkan bahwa sel surya dye-sensitized memerlukan katalis reaksi redoks dalam sel. Counter electrode berbahan platina menghasilkan karakteristik dan efisiensi sel (Tabel 4.4 dan Gambar 4.22) dengan parameter sebagai berikut, tegangan hubung terbuka (open circuit voltage) V oc = 664 mV, arus hubung singkat (short circuit current) I sc = 4,07 mA, tegangan maksimum V m = 461 mV, arus maksimum I m = 3,14 mA, daya maksimum P max = 1,45 mW, fill factor FF = 0,54 dan efisiensi sel η = 4,13 %. Karakteristik dan efisiensi tersebut lebih baik dibanding dengan DSSC dengan counter electrode CNT. Kurva I-V DSSC dengan counter electrode CNT dengan spray 10x dan 15x hasil penelitian (Gambar 4.21) menghasilkan pola yang cenderung linear. Hal ini disebabkan oleh faktor tahanan (resistance) dalam sel dan proses reaksi redoks serta aliran elektron dalam sel (counter electrode) tidak dapat berlangsung secara optimal. Faktor-faktor yang mempengaruhi diantaranya yaitu kualitas larutan CNT, kualitas lapisan deposisi CNT pada substart TCO, dan faktor pengotor. Kelemahan-kelemahan tersebut dapat diatasi dengan cara perbaikan proses pembuatan larutan CNT dan perbaikan teknik spray-coating deposisi lapisan CNT pada substrat TCO. Hasil karakteristik I-V dan efisiensi sel surya dye-sensitized hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan beberapa kelemahan yang dimiliki, carbon nanotube dapat digunakan sebagai salah satu alternatif bahan penyusun counter electrode, disamping platina. Begitu juga dengan metode spray-coating, metode ini dapat digunakan sebagai salah satu alternatif dalam proses deposisi lapisan pada counter electrode dengan keunggulan dapat menghasilkan variasi deposisi lapisan yang tipis dan beragam, menjangkau area deposisi yang luas, mudah dalam proses, dan murah dalam biaya penelitian.


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1

Kesimpulan Counter electrode berbasis carbon nanotube dengan metode spray coating

untuk aplikasi sel surya dye-sensitized telah dikembangkan. Sel surya dyesensitized dalam penelitian terdiri atas photoelectrode TiO 2 , dye ruthenium, larutan elektrolit, dan counter electrode CNT yang disusun dalam bentuk sandwich dengan spacer termoplastik. Photoelectrode dibuat dengan metode screen-printing dan counter electrode dengan metode spray-coating. Proses spray-coating counter electrode terdiri atas proses pembuatan larutan CNT, proses spraying larutan CNT pada substrat TCO, dan proses pembakaran electrode. Counter electrode dibuat dalam empat variasi , yaitu 10x, 15x, 25x, dan 55x spraying. Semakin banyak jumlah spraying, semakin tebal lapisan, semakin luas area sentuh counter electrode dengan elektrolit, dan semakin rendah nilai transmitans dan sheet resistance counter electrode. Karakteristik I-V sel dalam kondisi gelap memberikan kurva I-V sel dengan pola yang melengkung. Built-in potential sel V bi dipengaruhi oleh tebal lapisan carbon nanotube pada counter electrode. Built-in potential sel lebih rendah pada sel dengan counter electrode yang lebih tebal. Besar V bi sekitar 0,8 V dan arus saturasi I s sel sekitar 14-15 μF. Karakteristik I-V dan efisiensi sel dipengaruhi oleh ketebalan lapisan CNT, luas area sentuh counter electrode dengan larutan elektrolit, nilai transmitans, dan sheet resistance counter electrode. Semakin tebal lapisan CNT dan luas area sentuh counter electrode, semakin baik karakteristik dan efisiensi sel. Sebaliknya, semakin tinggi nilai transmitans dan sheet resistance counter electrode, semakin rendah karakteristik dan efisiensi sel. Counter electrode TCO dan platina digunakan sebagai pembanding dalam penelitian. DSSC dengan counter electrode TCO menghasilkan efisiensi sel yang kecil dan DSSC dengan counter electrode platina menghasilkan karakteristik dan efisiensi sel yang lebih baik dibanding dengan counter electrode CNT.


Karakteristik I-V dan efisiensi sel terbaik didapat pada sel dengan counter electrode sebanyak 55x spraying, yaitu tegangan hubung terbuka (open circuit voltage) V oc = 596 mV, arus hubung singkat (short circuit current) I sc = 3,40 mA, tegangan maksimum V m = 313,0 mV, arus maksimum I m = 2,13 mA, daya maksimum P max = 0,67 mW, fill factor FF = 0,36 dan efisiensi sel η = 1,90 %. 5.2

Saran Pengembangan counter electrode berbasis carbon nanotube dengan

metode spray coating untuk aplikasi sel surya dye-sensitized dalam penelitian berikutnya diharapkan dilakukan pengembangan dalam teknik pembuatan larutan CNT dan teknik deposisi larutan CNT pada substrat TCO, termasuk juga penelitian tentang ketebalan lapisan CNT dan temperatur pengeringan counter electrode. Karakterisasi material lapisan CNT pada counter electrode dengan menggunakan beberapa instrumen analitik juga disarankan untuk mengetahui lebih dalam tentang struktur dan sifat material. Penelitian tentang sel surya dye-sensitized dengan counter electrode berbahan carbon nanotube adalah sarat dengan berbagai disiplin ilmu, diantaranya nanoscience dan nanotechnology, mikroelektronika, fisika piranti elektronik, fisika semikonduktor, spektroskopi, fotoelektrokimia, kimia analitik, dan lain-lain. Kombinasi para peneliti dengan berbagai disiplin ilmu tersebut dibutuhkan dalam penelitian dan pengembangan sel.


DAFTAR REFERENSI

Allison, J. (1990). Electronic Engineering Semiconductors and Devices. London: McGraw-Hill Book Co. Amlani, I. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 4 Measuring the AC Response of SWNT-FETs. New York: Springer. Barisci, J.N., Wallace, G.G., MacFarlane, D.R., Baughman, R.H. (2004). Investigation of Ionic Liquids as Electrolytes for Carbon Nanotube Electrode. Electrochemistry Communications 6 (2004) 22-27. Barnes, T.M., Lagemaat, J., Levi, D., Rumbles, G., Coutts, T.J., Weeks, C.L., Britz, D.A., Levitsky, I., Peltola, J., Glatkowski, P. (2007). Optical Characterization of Highly Conductive Single-Wall Carbon-Nanotube Transparent Electrodes. Physical Review B 75, 235410 (2007). Cao, Q., Kocabas, C., Meitl, M.A., Kang, S.J., Park, J.U., Rogers, J.A. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 9 Single-Walled Carbon Nanotubes for High Performance Thin Film Electronics. New York: Springer. Cao, Q., Zhu, Z.T., Lemaitre, M.G., Xia, M.G., Shim, M., Rogers, J.A. (2006). Transparent Flexible Organic Thin-Film Transistors That Use Printed SingleWalled Carbon Nanotube Electrodes. Applied Physics Letters 88, 113511 (2006). Chen, Y.S., Lee, J.N., Tsai, S.Y., Ting, C.C. (2007). Manufacture of DyeSensitized Solar Cells and Their I-V Curve Measurements. Proceedings of ICAM2007 Nov. 26-28, 2007. Ewing, G.W. (1987). Instrumental Methods of Chemical Analysis. Singapore: McGraw-Hill, Inc. Fanchini, G., Unalan, H.E., Chhowalla, M. (2006). Optoelectronic Properties of Transparent and Conducting Single-Wall Carbon Nanotube Thin Films. Applied Physics Letters 88, 191919 (2006). Freitag, M. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 4 Carbon Nanotube Electronics and Devices. New York: Springer. Girishkumar, G., Vinodgopal, K., Kamat, P.V. (2004). Carbon Nanostructures in


Portable Fuel Cells: Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes for Methanol Oxidation and Oxygen Reduction. J. Phys. Chem. B, Vol. 108, No. 52, 2004, 19960-19966 Girotto, C., Genoe, J. (2010). Spray Coating for Fabricating Polymer-Based Organic Solar Cells. Global Solar Technology - March 2010. Gratzel, M. (2003). Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Photochemistry and Photobiology, Photochemistry Review 4, 145-153. Grow, R.J. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 7 Electromechanical Properties and Applications of Carbon Nanotube. New York: Springer. Guo, J., Lundstrom, M. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 5 Device Simulaion of SWNT-FETs. New York: Springer. Hafner, B. (2007). Scanning Electron Microscopy Primer. Characterization Facility, University of Minnesota. Halme, J. (2002). Dye-Sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells: Technical Review and Preeliminary Test. Master Thesis of Helsinki University of Technology. Hennrich, F., Chan, C., Moore, V., Ronaldi, M., O’Connell, M. (2006). Carbon Nanotubes Properties and Applications: Chapter 1 The Element Carbon. New York: Taylor and Francis Group, LLC. Javey, A. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 3 Carbon Nanotube Field-Effect Transistors. New York: Springer. Landsberg, P.T. (2005). Solar Cells Materials, Manufacture and Operation: IIa-3 Ideal Efficiencies. Oxford: Elsevier. Lee, K.J., Kong, J. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 8 Chemical Sensing with SWNT-FETs. New York: Springer. Lee, W.J., Ramasamy, E., Lee, D.Y., Min, B.K., Song, J.S. (2006). Dye-Sensitized Solar Cells with Spray-Coated CNT Counter Electrode. Proc. of SPIE Vol. 6038 60381T-1. Leonard, F. (2009). The Physics of Carbon Nanotube Devices. New York: William Andrew Inc. Markvart, T. (2005). Solar Cells Materials, Manufacture and Operation: IIa-1 Principles of Solar Cell Operation. Oxford: Elsevier.


Matsumoto, T., Komatsu, T., Arai, K., Yamazaki, T., Kijima, M., Shimizu, H., Takasawa, Y., Nakamura, J. (2004). Reduction of Pt Usage in Fuel Cell Electrocatalysts with Carbon Nanotube Electrodes. Chem. Commun., 2004, 840-841. May, G.S., Spanos, C.J. (2006). Fundamentals of Semiconductor Manufacturing and Process Control. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. McEvoy, A.J. (2005). Solar Cells Materials, Manufacture and Operation: IIe-1 Photoelectrochemical Solar Cells. Oxford: Elsevier. Mitin, V.V., Kochelap, V.A., Stroscio, M.A. (2008). Introduction to Nanoelectronics Science, Nanotechnology, Engineering, and Applications. Cambridge: Cambridge University Press. Muliani, L., Taryana, Y., Hidayat, J. (2010). Pembuatan Sel Surya TiO 2 Dye-Sensitized Menggunakan Metode Screen Printing. Jurnal Elektronika, vol. 10, no. 1. Nam, J.G., Park, Y.J., Kim, B.S., Lee, J.S. (2010). Enhancement of the Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cell By Utilizing Carbon Nanotube Counter Electrode. Scripta Materialia 62 (2010) 148-150. Naomi, A., Meindl, J.D. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 7 Performance Modelling for Carbon Nanotube Interconnects. New York: Springer. Neamen, D.A. (1992). Semiconductor Physics and Devices. New York: Richard D. Irwin, Inc. Osterwald, C.R. (2005). Solar Cells Materials, Manufacture and Operation: IIf-1 Standards, Calibration and Testing of PV Modules and Solar Cells. Oxford: Elsevier. Park, J.Y. (2009). Carbon Nanotube Electronics: Chapter 1 Band Structure and Electron Transport Physics of One-Dimensional SWNTs. New York: Springer. Pasquier, A.D., Unalan, H.E., Kanwal, A., Miller, S., Chhowalla, M. (2005). Conducting and Transparent Single-Wall Carbon Nanotube Electrodes for Polymer-Fullerene Solar Cells. Applied Physics Letter 87, 203511 (2005). Rowell, M.W., Topinka, M.A., McGehee, M.D., Prall, H.J., Dennler, G., Sariciftci, N.S., Hu, L., Gruner, G. (2006). Organic Solar Cells with Carbon


Nanotube Network Electrodes. Applied Physics Letter 88, 233506 (2006). Saito, R., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M.S. (1998). Physical Properties of Carbon Nanotubes. London: Imperial College Press. Santhosh, P., Manesh, K.M., Gopalan, A., Lee, K.P. (2006). Fabrication of New Polyaniline Grafted Multi-Wall Carbon Nanotube Modified Electrode and Its Application for Electrochemical Detection of Hydrogen Peroxide. Analytica Chimica Acta 575 (2006) 32-38. Sastrawan, R. (2006). Photovoltaic Modules of Dye Solar Cells. Disertasi University of Freiburg. Schroder, D.K. (1998). Semiconductor Material and Device Characterization. New York: John Wiley & Sons. Sheetaramappa, J., Yellappa, S., D’Souza, F. (2006). Carbon Nanotubes: Next Generation of Electronic Materials. The Electrochemical Society Interface, Summer 2006. Selvarasah, S., Busnania, A., Dokmeci, M.R. (2011). Design, Fabrication, and Characterization of Three-Dimensioanl Single-Walled Carbon Nanotube Assembly and Applications As Thermal Sensors. IEEE Transactions on Nanotechnology, A Publication of The IEEE Nanotechnology Council, Vol. 10, No. 1, January 2011. Sze, S.M. (1985). Semiconductor Devices Physics and Technology. New York: John Wiley & Sons. Tang, C.L. (2005). Fundamentals of Quantum Mechanics for Solid State Electronics and Optics. Cambridge: Cambridge University Press. Ulbricht, R., Jiang, X., Lee, S., Inoue, K., Zhang, M., Fang, S., Baughman, R., Zakhidov, A. (2006). Polymeric Solar Cells with Oriented and Strong Transparent Carbon Nanotube Anode. phys. stat. sol. (b) 243, No. 13, 35283532 (2006). Wang, G.J., Lee, M.W., Chen, W.Z., Chen, Y.H., Chien, M.C., Yu, M.C. (2011). A Metal-Solution FET Enhanced Proton-Motive-Force Driving Photovoltaic. IEEE Transactions on Nanotechnology, A Publication of The IEEE Nanotechnology Council, Vol. 10, No. 2, March 2011. Zhang, Z.B. (2009). Carbon Nanotube Electronics. Royal Institute of Technology.


Lampiran 1 Data I-V Sel dengan Counter Electrode 10x Spraying

Pengukuran 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

V (mV) 5.00 5.80 6.30 7.30 8.10 9.70 11.60 13.30 15.80 18.20 19.60 21.20 24.50 27.90 31.00 34.40 36.50 37.90 41.80 45.70 49.30 52.80 56.40 60.00 61.30 62.70 65.30 67.70 71.40 72.30 73.00 74.00 75.70 76.70 77.60 78.70 79.40 80.20 82.70

I (mA) 1.28 1.23 1.24 1.22 1.19 1.18 1.16 1.11 1.05 1.01 0.98 0.96 0.91 0.85 0.79 0.73 0.72 0.68 0.61 0.56 0.49 0.44 0.38 0.33 0.31 0.29 0.24 0.21 0.15 0.14 0.13 0.11 0.09 0.08 0.06 0.05 0.04 0.03 0.03

P out (mW) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

Efisiensi (%) 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 0.05 0.05 0.06 0.06 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.06 0.06 0.05 0.05 0.05 0.04 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01



Pengukuran 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 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

V (mV) 7.10 8.40 9.00 10.30 11.40 13.90 16.30 17.60 22.20 25.30 27.50 29.60 34.20 38.60 42.50 47.30 50.30 52.10 57.20 62.20 66.80 71.20 75.80 80.10 81.40 84.00 86.50 89.30 93.50 94.50 95.00 96.70 97.40 99.20 100.00 101.00 102.00 102.70 103.00 103.30 104.70

I (mA) 1.82 1.79 1.76 1.72 1.68 1.70 1.63 1.47 1.48 1.41 1.38 1.35 1.27 1.17 1.09 1.01 0.99 0.93 0.84 0.76 0.67 0.59 0.52 0.45 0.41 0.38 0.32 0.27 0.20 0.19 0.17 0.14 0.12 0.10 0.08 0.07 0.05 0.04 0.03 0.03 0.02

P out (mW) 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.04 0.04 0.04 0.04 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Efisiensi (%) 0.04 0.04 0.05 0.05 0.05 0.07 0.08 0.07 0.09 0.10 0.11 0.11 0.12 0.13 0.13 0.14 0.14 0.14 0.14 0.13 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.09 0.08 0.07 0.05 0.05 0.05 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01



Pengukuran 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 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

V (mV) 15.80 16.90 19.60 21.70 26.80 32.50 38.00 46.00 55.70 59.90 65.80 78.80 92.10 105.00 121.00 133.00 139.00 160.00 181.00 203.00 224.00 247.00 267.00 274.00 284.00 300.00 315.00 337.00 341.00 344.00 352.00 359.00 366.00 369.00 374.00 380.00 382.00 383.00 384.00 385.00 386.00

I (mA) 3.36 3.31 3.27 3.19 3.27 3.25 3.17 3.07 3.09 3.00 2.99 2.92 2.79 2.69 2.57 2.61 2.48 2.35 2.21 2.03 1.87 1.68 1.48 1.37 1.29 1.11 0.95 0.72 0.67 0.61 0.52 0.44 0.37 0.31 0.25 0.17 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06

P out (mW) 0.05 0.06 0.06 0.07 0.09 0.11 0.12 0.14 0.17 0.18 0.20 0.23 0.26 0.28 0.31 0.35 0.35 0.38 0.40 0.41 0.42 0.42 0.40 0.38 0.37 0.33 0.30 0.24 0.23 0.21 0.18 0.16 0.13 0.11 0.09 0.07 0.05 0.04 0.04 0.03 0.02

Efisiensi (%) 0.15 0.16 0.18 0.20 0.25 0.30 0.34 0.40 0.49 0.51 0.56 0.66 0.73 0.81 0.89 0.99 0.99 1.08 1.14 1.18 1.19 1.19 1.13 1.07 1.05 0.95 0.86 0.69 0.65 0.60 0.52 0.45 0.38 0.32 0.27 0.19 0.15 0.13 0.11 0.08 0.06



Pengukuran 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 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

V (mV) 11.10 13.10 15.50 16.80 19.60 21.70 26.90 32.90 38.50 47.30 56.10 61.90 68.40 82.70 98.20 113.00 134.00 149.00 158.00 186.00 216.00 247.00 279.00 313.00 345.00 356.00 373.00 396.00 420.00 455.00 463.00 468.00 483.00 496.00 508.00 516.00 527.00 541.00 544.00 548.00 551.00 555.00 557.00

I (mA) 3.36 3.36 3.30 3.29 3.27 3.19 3.28 3.29 3.21 3.15 3.12 3.10 3.11 3.06 2.98 2.90 2.85 2.92 2.82 2.74 2.63 2.47 2.33 2.13 1.92 1.78 1.70 1.47 1.27 0.97 0.91 0.84 0.71 0.60 0.51 0.43 0.35 0.25 0.20 0.17 0.14 0.11 0.08

P out (mW) 0.04 0.04 0.05 0.06 0.06 0.07 0.09 0.11 0.12 0.15 0.17 0.19 0.21 0.25 0.29 0.33 0.38 0.44 0.45 0.51 0.57 0.61 0.65 0.67 0.66 0.63 0.63 0.58 0.53 0.44 0.42 0.39 0.34 0.30 0.26 0.22 0.19 0.13 0.11 0.09 0.08 0.06 0.05

Efisiensi (%) 0.11 0.13 0.15 0.16 0.18 0.20 0.25 0.31 0.35 0.43 0.50 0.55 0.61 0.72 0.83 0.94 1.09 1.24 1.27 1.45 1.63 1.74 1.85 1.90 1.89 1.81 1.81 1.66 1.53 1.26 1.20 1.12 0.98 0.86 0.74 0.63 0.53 0.38 0.31 0.26 0.22 0.18 0.13


Lampiran 5 Karakteristik I-V DSSC dengan Counter Electrode CNT 25x Spraying (Metode Komputerisasi)


Lampiran 6 Karakteristik I-V DSSC dengan Counter Electrode Platina (Metode Komputerisasi)


PENGEMBANGAN COUNTER ELECTRODE BERBASIS CARBON NANOTUBE DENGAN METODE SPRAY-COATING UNTUK APLIKASI SEL SURYA DYE-SENSITIZED TESIS

Recommend Documents