PROGRAM STUDI ILMU FISIKA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2014

perpustakaan.uns.ac.id

digilib.uns.ac.id

STUDI KAJIAN DYE KANDUNGAN BETA-KAROTEN DAN OPTIMASINYA SEBAGAI DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC)

TESIS Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika

Oleh

BOISANDI NIM S911108002

PROGRAM STUDI ILMU FISIKA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2014 commit to user


digilib.uns.ac.id

commit to user


digilib.uns.ac.id

commit to user


digilib.uns.ac.id

PERNYATAAN ORIENTASI DAN PUBLIKASI TESIS Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa: 1. Tesis yang berjudul: “STUDI KAJIAN DYE KANDUNGAN BETA-KAROTEN DAN OPTIMASINYA SEBAGAI DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC)” ini adalah karya penelitian saya sendiri bebas plagiat, serta tidak terdapat karya yang pernah diajukan orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagian acuan dalam naskah ini dan disebut dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya sedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No. 17, tahun 2010) 2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakn tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enm bulan sejak pengesahan Tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan

Tesis

ini,

maka

Prodi

Ilmu

Fisika

PPs-UNS

berhak

mempublikasikannya pada jurnal ilmuyah pada jurnal ilmiyah yang diterbitkan oleh Prodi Ilmu Fisika PPs-UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku. Surakarta, 6 Januari 2014 Materai Rp 6.000

commit to user

i

Boisandi S911108002


digilib.uns.ac.id

DAFTAR ISI Pernyataan Orientasi Dan Publikasi Tesis ……………………………………

i

Kata Pengantar .………………………………………………………...……

ii

Daftar Isi ………….…………………………………………….....................

iv

Daftar Tabel ……..….………………………………………………………...

vii

Daftar Gambar ……………………………………………….………………..

viii

Daftar Lampiran ……...………………………………………........................

xi

Abstrak ..……………………………………………………………………...

xii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ………………………………………………….

1

1.2 Batasan Masalah ………………………………………….……………..

2

1.3 Rumusan Masalah ………………………………………...…………….

3

1.4 Tujuan Penelitian …………………………………………………………

3

1.5 Manfaat Penelitian ……………………………………………………….

4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sel Surya ………………………………………………………………….

5

2.1.1 Prinsip Operasi Persambungan p-n …………………………………..

5

2.2 Dye Sensitized solar Cell (DSSC) ……………………………......………

8

2.2.1 Substrat Oksida ……….…………………………………......................

8

2.2.2 Elektroda Kerja …….…………………………………..........................

8

2.2.3 Pewarna (dye)…………..……………….…………….………………..

11

2.2.4 Elektrolit ……………………………………..….….….........................

14

2.2.5 Elektroda Lawan ………………………………………...…………….. commit to user

14

iv


digilib.uns.ac.id

2.2 Prinsip Operasi DSSC .…………………………….……………………

15

2.4 Karakterisasi ………………………………...…………..……………….

18

2.4.1 Karakterisasi Arus-Tegangan (I-V) DSSC ……………..……….……..

19

………...…….………………...

20

2.4.1.1 Tegangan Rangkaian Terbuka 2.4.1.2 Arus Hubungan Singkat

…..…………………………..............

20

2.4.1.3 Fill Factor (FF) ……….………………………………….……..…...

21

2.4.1.4 Efisiensi Konversi Foto Listrik ………………………………………

22

2.4.2 Pengukuran Sifat Optik …….………………………….........................

22

2.4.3 Konduktivitas Listrik ..............................................................................

24

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian …………………..….…………………….

25

3.2 Diagram Penelitian ……………………….….…......................................

25

3.3 Persiapan ………………………………….….….....................................

26

3.4 Ekstraksi Dye Organik alam ………………….…….…………………….

26

3.5 Karakterisasi Dye Organik Alam …………………………………………

27

3.5.1

Karakterisasi Optik (Spektrum Absorbansi) ………………………….

27

3.5.2

Karakterisasi Listrik (Fotokonduktivitas) ……………..……………...

27

3.6 Elektrolit DSSC ..........................................................................................

29

3.7 Lapisan

..............................................................................................

29

3.7.1

Slip Casting ..........................................................................................

29

3.7.2

Karakterisasi Lapisan

..................................................................

30

3.7.3

Karakterisasi Lapisan

/dye ............................................................

30

3.8 Fabrikasi DSSC .......................................................................................... commit to user

30

v


digilib.uns.ac.id

3.9 Karakterisasi Arus-Tegangan (I-V) DSSC ................................................

31

3.9.1

Pengujian Dengan Rangkaian ...............................................................

31

3.9.2

Pengujian Dengan Keithley 2600A .......................................................

32

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Karakteristik Optik (Spektrum Absorbansi) .............................................

33

4.2. Karakteristik Listrik (Fotokonduktivitas) ..................................................

37

4.3 Fabrikasi Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) ..…………………………...

40

4.4 Karakteristik Arus-Tegangan (I-V) DSSC …………...….……………….

41

……………

41

4.4.1

Optimasi Pelarut Ekstraksi dan Rendaman Lapisan

4.4.2

Optimasi Rendaman Melinjo Alam Menggunakan Pelarut Etanol …………………………………………................................................

46

4.4.3

Optimasi Temperatur Anil Lapisan

……………………………..

48

4.4.4

Pengaruh Elektroda Grafit Terhadap Arus-Tegangan (I-V) DSSC .…..

50

4.4.5

Perbandingan Dye-Melinjo Dengan Beta-Karoten Pada DSSC …..…..

51

BAB V ESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimplan ……………….……………. …………………………………

57

5.2 Saran …………………….………………………………………………...

58

Daftar Pustaka …..…………………………………………………………….

59

Lampiran ……………………………………………………………………...

63

commit to user

vi


digilib.uns.ac.id

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pita energi pembawa muatan mayoritas semikonduktor tipe-p dan tipe-n ………………………...........................................

5

Gambar 2.2. (a) Skema persambungan p-n dan (b) Diagram pita energi dalam kesetimbangan termal ……………………………….

6

Gambar 2.3 Skema aliran muatan persambungan p-n di bawah pencahayaan ….………….….................................................

7

Gambar 2.4 Perubahan ukuran partikel anatase dan rutil sebagai fungsi dari temperatur anil .…….……………………......................

9

Gambar 2.5 Skema fotoeksitasi yang diikuti oleh deeksitasi pada permukaan semikonduktor ….…….......................................

10

Gambar 2.6 Struktur beta-karoten ……………………………………..…

11

Gambar 2.7 Skema operasi DSSC berbasis dye ruthenium (N3) …….........

15

Gambar 2.8 Tipikal kurva arus-tegangan (I-V) DSSC …...……………...

20

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen yang disederhanakan untuk DSSC dengan memperhitungkan resistansi seri

dan resistensi shunt

……………………………………………………

21

Gambar 2.10 Skema hukum Lambet-Beer memperlihatkan penurunan energi radiasi akibat penyerapan .………..............................

23

Gambar 3.1 Diagram alir tahapan penelitian DSSC berbahan dye organik alam …..……………............................................................ Gambar 3.2 Skema pengukurancommit arus-tegangan to user (I-V) menggunakan

viii

25


digilib.uns.ac.id

ElKahfi 100/I-V meter …….……….………………………

28

Gambar 3.3 Skema rangkaian arus dan tegangan menggunakan Amperemeter ( ), Voltmeter ( ) dan variabel resistor dalam karakterisasi arus-tegangan (I-V) DSSC ………………...…..

31

Gambar 3.4 Skema pengukuran arus-tegangan (I-V) DSSC kondisi terang dengan menggunakan Keithley 2600A …….….……

32

Gambar 4.1 Spektrum absorbansi dye organik alam dalam pelarut Nheksan ……………………...………………….……………

33

Gambar 4.2 Spektrum absorbansi dye dari kulit merah buah melinjo dalam konsentrasi berbeda ...…………...…………………...

35

Gambar 4.3 Spektrum absorbansi dye-melinjo dan beta-karoten …………

35

Gambar 4.4 Spektrum absorbansi

anatase …………………………..

36

Gambar 4.5 Spektrum absorbansi

anatase/dye-melinjo dan spektrum

absorbansi

anatase/beta-karoten ...….…..……….……

37

Gambar 4.6 Kurva arus-tegangan (I-V) dari dye-melinjo dan beta-karoten keadaan gelap dan di bawah penyinaran Lampu halogen intensitas 100

.........................................................

39

Gambar 4.7 Kurva arus-tegangan DSSC terhadap lama rendaman lapisan ke dalam dye-melinjo menggunkan pelarut N-heksan ………………………………………………………………..

42

Gambar 4.8 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC terhadap lama rendaman lapisan

ke dalam dye-melinjo menggunkan pelarut

aseton …………..................................................................... commit to user

ix

42


digilib.uns.ac.id

Gambar 4.9 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC terhadap lama rendaman lapisan

ke dalam dye-melinjo menggunkan pelarut

etanol ………….......................................................................

43

Gambar 4.10 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC terhadap lama rendaman melinjo alam dalam pelarut etanol …………………...……..

47

Gambar 4.11 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC terhadap variasi temperatur anil lapisan

……………………………….…………...

48

Gambar 4.12 Pengaruh elektroda grafit terhdap arus-tegangan (I-V) DSSC ..................................................................................................

50

Gambar 4.13 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC menggunakan dye betakaroten ……………………………………………………...

52

Gambar 4.14 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC berbahan dye beta-karoten menggunakan Keithly type 2600A pengkuran di bawah cahaya putih (lampu Xenon intensitas 100

)

………………………………………………………………

53

Gambar 4.15 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC berbahan dye-melinjo menggunakan Keithly type 2600A pengukuran di bawah ) ……... 54

cahaya putih (lampu Xenon intensitas 100

Gambar 4.16 Kurva arus-tegangan (I-V) DSSC perbandingan dye-melinjo dan

beta-karoten

menggunakan

Keithly

type

2600A

pengukuran di bawah cahaya putih (lampu Xenon intensitas 100

) …………………………………………....... commit to user

x

54


digilib.uns.ac.id

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran I Kurva arus-tegangan (I-V) dan konduktivitas dye organik alam dalam gelap dan terang (di bawah pencahayaan lampu halogen ) …….………………………………...

intensitas 100

63

Lampiran II Pengaruh pengeringan melinjo alam terhadap konduktivitas dyemelinjo keadaan gelap dan terang (di bawah pencahayaan lampu ) ……………………………….

halogen intensitas 100

67

Lampiran III Pengujian metode arus dan tegangan menggunakan sel surya silikon …………………………………………………….............

69

……...………….….

70

Lampiran V Optimasi rendaman melinjo alam menggunakan pelarut etanol ......

72

…………..……………….

73

Lampiran IV Optimasi pelarut dan rendaman lapisan

Lampiran VI Optimasi temperatur anil lapisan

Lampiran VII Pengaruh elektroda grafit terhadap arus dan tegangan DSSC …… 74 Lampiran VIII Pengaruh konsentrasi beta-karoten dalam pelrut etanol terhadap arus-tegangan (I-V) DSSC ...........................................................

75

Lampiran IX Pengukuran arus-tegangan (I-V) DSSC berbahan beta-karoten menggunakan Keithly type 2600A …………………………..........

76

Lampiran X Pengukuran arus-tegangan (I-V) DSSC berbahan dye-melinjo menggunakan Keithly type 2600A ………….……….…………....

78

Lampiran XI Kandungan karotenoid total ………………………………………

80

Lampiran XI Publikasi ………………………………………….…………….....

81

commit to user

xi


digilib.uns.ac.id

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Nama Semi-sistematis karotenoid ……………….........................

12

Tabel 2.2 Pelarut organik …………………………………………………...

13

Tabel 4.1 Puncak spektrum absorbansi dye organik alam dan warna larutan dalam N-heksan ………………………………………………..

34

Tabel 4.2 Gradien kurva arus-tegangan dan konduktivitas dye organik alam dalam gelap dan terang ……………………...……………….....

38

Tabel 4.3 Pengaruh pengeringan kulit buah melinjo terhadap konduktivitas dye-melinjo ……………………………………………..............

40

…………

44

Tabel 4.4 Optimasi pelarut ekstraksi dan rendaman lapisan

Tabel 4.5 Pengaruh lama rendaman melinjo alam kedalam pelarut etanol terhadap arus-tegangan (I-V) DSSC .......................................... Tabel 4.6 Pengaruh temperatur anil lapisan

47

terhadap arus-tegangan

DSSC ……...................................................................................

49

Tabel 4.7 Pengaruh elektroda grafit terhdap arus-tegangan (I-V) DSSC …...

51

Tabel 4.8 DSSC berbahan dye beta-karoten dengan konsentrasi berbeda ….

52

Tabel 4.9 Komponen DSSC ………………………………………………..

55

commit to user

vii


digilib.uns.ac.id

Boisandi. S911108002. 2014. Studi Kajian Dye Kandungan Beta-Karoten Dan Optimasinya Sebagai Dye Sensitized Solar Cells (DSSC).Tesis. Pembimbing I: Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D, II: Dr. Agus Supriyanto M.Si. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta. ABSTRAK Dye sensitized solar cell (DSSC) dapat menawarkan baik fleksibilitas maupun transparansi dengan biaya produksi lebih murah dari sel surya jenis silikon. Susunan DSSC dalam penelitian terdiri dari FTO/ /dye/elektrolit/Grafit/FTO. Penelitian bertujuan memperoleh sifat optik (spektrum absorbansi) dan listrik (fotokonduktivitas) dye organik alam yang mengandung beta-karoten serta karakteristik arus-tegangan (I-V) DSSC. Uji sifat optik menggunakan Spectrophotometer UV Visible 1601 PC, uji kelistrikan menggunakan Elkahfi 100/I-V meter dan karakterisasi I-V DSSC menggunakan Keithley Type 2600A. Spektrum absorbansi dan fotokonduktivitas optimum dihasilkan oleh dye dari kulit merah buah melinjo (kemudian disebut dye-melinjo). Hasil penelitian menunjukkan spektrum absorbansi dye-melinjo maupun beta-karoten terletak di rentang cahaya tampak kisaran 380-550 dengan puncak absorbansi dyemelinjo 449 dan 474 mendekati puncak beta-karoten 450 dan 477 . Karakteristik listrik (I-V) dari dye dalam penelitian meningkat linear di bawah pencahayaan. Selisih konduktivitas ( σ) dye-melinjo keadaan gelap dan di bawah pencahayaan sebesar 9,61 10-7 sedangkan beta-karoten sebesar -7 9,62 10 . Krakterisasi I-V DSSC berbahan dye-melinjo menghasilkan sebesar 196 ; = 199 ; FF = 0,28; dan sebesar 1,05×10-2 %. Sedangkan DSSC berbahan beta-karoten diperoleh = 307 ; = 215 -2 ; FF = 0,21; dan = 1,38 10 %. Secara keseluruhan dye-melinjo dapat menjadi alternatif menarik sebagai dye sensitizer. Kata kunci: Dye Sensitized Solar cell (DSSC), beta-karoten, melinjo (Gnetum gnemon), . I.

PENDAHULUAN Tenaga surya merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang berlimpah dan dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Sel surya jenis silikon telah digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga surya dan sel surya dapat dengan mudah disebarkan untuk memenuhi kebutuhan listrik bahkan ke daerah terpencil. Fabrikasi yang sulit menjadikan biaya produksi sel surya jenis silikon menjadi tinggi sehingga menjadi kendala untuk digunakan oleh masyarakat luas. Dye sensitized solar cell (DSSC) dapat menawarkan biaya produksi lebih commit to user rendah dari sel surya jenis silikon dengan efisiensi sebanding dengan sel surya 1


digilib.uns.ac.id

silikon amorf. DSSC umumnya terdiri dari konduktor oksida transparan ( dilapisi titanium dioksida (

)

) dengan pewarna (dye), elektroda lawan, dan

elektrolit mengandung pasangan redoks iodida/triiodida yang dapat dipersiapkan dengan tehnik sederhana. DSSC berbahan dye organik ruthenium komplek telah dilaporkan mencapai efisiensi 11,1% (Chiba, dkk. 2006), namun biaya produksi dye ruthenium masih relatif tinggi sehingga mendorong pengembangan dye sensitizer baru. Dye organik alam dapat menawarkan biaya produksi lebih rendah, ramah lingkungan, teknik persiapan sederhana dan ketersediaan berlimpah yang merupakan alternatif menarik sebagai dye sensitizer. DSSC menggunakan dye karotenoid telah diselidiki oleh Gao, dkk. (2000), dari pencahayaan selama 1 jam arus hampir konstan menunjukkan bahwa karotenoid terikat

stabil pada pasangan elektroda/elektrolit dan diperoleh

IPCE 34%. Karnjanawipagul, dkk. (2010) melaporkan metode sederhana dan cepat untuk menentukan spektrum absorbansi beta-karoten melalui metode spektrofotometri, karena pigmen dapat menyerap radiasi daerah cahaya tampak (400-600

.

Kendala utama dalam DSSC berbahan dye organik alam yaitu stabilitas dye organik alam relatif singkat yang disebabkan rentan oleh panas matahari dan efisiensi sel masih jauh lebih rendah dari sel surya jenis silikon maupun DSSC berbahan dye ruthenium. Dalam upaya untuk mencari sumber dye organik alam yang optimum baik spektrum absorbansi maupun konduktivitas listrik, studi penelitian mengupayakan pembuatan DSSC berbahan dye-melinjo sebagai dye sensitizer

dikombinasikan

dengan

semikonduktor

anatase

sebagai

fotoelektroda, elektrolit sebagai media transfer elektron, dan elektroda lawan menggunakan grafit. 1.1 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini meliputi:

commit to user

2


digilib.uns.ac.id

1. Mendapatkan karakteristik spektrum absorbansi dye yang mengandung betakaroten dari ekstraksi berbagai bahan organik alam yang akan digunakan sebagai sensitizer. 2. Mendapatkan karakteristik listrik dye yang mengandung beta-karoten dari ekstraksi berbagai bahan organik alam yang akan digunakan sebagai sensitizer. 3. Memperoleh karakteristik arus-tegangan (I-V) DSSC terhadap optimasi pelarut ekstraksi dye-melinjo yang mengandung beta-karoten dan pengaruh lama rendaman lapisan

dalam dye, pengaruh lama rendaman melinjo alam

dalam pelarut etanol, pengaruh temperatur anil lapisan

, dan pengaruh

penambahan grafit pada elektroda lawan. II LANDASAN TEORI 1. Prinsip Operasi DSSC Skema operasi DSSC secara umum disajikan pada Gambar (2.7).

Gambar 2.1 Skema operasi DSSC berbasis dye ruthenium (

) (Calandra, dkk.

2010). Semikonduktor

dalam DSSC tidak hanya bertindak sebagai commit to user dukungan untuk dye sensitizer tetapi juga berfungsi sebagai akseptor elektron dan

3


digilib.uns.ac.id

konduktor elektronik (Wei, 2010). Siklus operasi DSSC digambarkan pada Gambar (2.1). Prinsip fotovoltaik dan proses reaksi redoks sebagai berikut (Calandra, dkk. 2010): D+h

D* D+ +

D* + D+

(

)

D

2D+ + 3

2D +

D+ + +

(

)

(katalis)

+

(

)

D+

Eksitasi

(2.1)

Injeksi elektron

(2.2a)

Reaksi deaktivasi

(2.3b)

Regenerasi

(2.3a)

Rekombinasi

(2.3b)

3 3

direduksi menjadi +

(2.4a)

Rekombinasi

Di bawah pencahayaan dengan frekuensi

(2.4b)

menyebabkan dye tereksitasi D*

(Persamaan 2.1). Dye dipilih sedemikian rupa sehingga keadaan tereksitasi terletak di atas pita konduksi ( elektron ke semikonduktor

partikel

. Dalam kondisi ini, injeksi

dapat terjadi (2.2a), bersaing dengan reaksi

deaktivasi (2.4b). Pada elektroda

, dye teroksidasi diregenerasi oleh

elektrolit dalam reaksi (2.3a), sementara pada elektroda lawan, menjadi

dari

direduksi

dalam reaksi (2.4a) dan harus efektif bersaing dengan keadaan

rekombinasi (2.4b), (2.4b) yang menurunkan produksi arus. Dengan kata lain, diproduksi pada elektroda demikian

dan dikonsumsi pada elektroda lawan dan dengan

berdifusi melintasi elektrolit dengan arah yang bersesuaian (Gambar

2.1). II METODE PENELITIAN Pelaksanaan penelitian di boratorium material fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) dan laboratoriun terpadu MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penelitian berlangsung selama september 2012 hingga Agustus 2013. Penelitian menggunakan metode eksperimen. Kegiatan penelitian meliputi

karakterisasi

sifat

optik

(spektrum

absorbansi),

sifat

listrik

(fotokonduktivitas) dye organik alam dan karakterisasi arus-teganga (I-V) sel surya DSSC untuk memperoleh commit to user dan

4

.


digilib.uns.ac.id

3.1 Diagram Penelitian Diagram penelitian secara umum sebagai berikut: Persiapan Alat dan Bahan Ekstraksi dye organik alam Karakterisasi Dihasilkan larutan Dye Alam UV-Vis dan I-V Deposisi

dengan Slip casting

Lapisan

Karakterisasi UV-Vis

/ Dye

Karakterisasi UV-Vis

Pembuatan Elektrolit DSSC Deposisi lapisan grafit dengan slip casting Karakterisasi I-V DSSC Fabrikasi DSSC

Analisis dan Kesimpulan

Gambar 3.1 Diagram alir tahapan penelitian DSSC berbahan dye organik alam. IV HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian ini bertujuan unttuk mengetahui karakteristik sifat optik (spektrum absorbansi) dan sifat listrik (fotokonduktivitas) dye organik alam yang mengandung beta-karoten dan optimasi pelarut dye yang kemudian digunakan sebagai sensitizer dalam DSSC. Analisis dilakukan pada sifat optik, sifat listrik dye organik alam dan karakteristik arus-tegangan (I-V) DSSC. 4.1.Karakteristik sifat Optik (Spektrum Absorbansi) Dye organik alam dianalisa menggunakan Spectrofotometer UV Visible shimadzhu 1601 PC. Pengukuran dilakukan dalam rentang spektrum cahaya tampak yang sesuai dengan serapan karotenoid.

commit to user

5


digilib.uns.ac.id

Gambar 4.1 Spektrum absorbansi dye organik alam dalam pelarut N-Heksan Gambar 4.1 menunjukkan spektrum absorbansi berbagai dye organik alam dalam perbandingan konsentrasi tetap yaitu 1 gram bahan alam/2

N-heksan.

Dari Gambar (4.1), puncak spektrum absorbansi dye organik alam dan warna larutan dalam N-heksan disajikan dalam Tabel 4.1. Tabel 4.1 Puncak spektrum absorbansi dye organik alam dan warna larutan dalam N-heksan Sumber dye Warna dye dalam N-heksan ( ) Kulit merah buah melinjo

449, 474

Orange

Buah tomat

444, 470, 501

Orange

Kulit orange buah melinjo

441, 469

Orange

Wortel

447 475

Kuning

Biji jagung

447, 474

Kuning

Buah labu kuning/waluh

443, 472

Kuning

Gambar (4.1) menunjukkan rentang spektrum absrbansi berbagai dye organik alam terletak di kisaran 380 – 550 dengan puncak absorbansi ( commit to user

6

) dan


digilib.uns.ac.id

warna larutan dye ditunjukkan oleh Tabel (4.1). Rentang spektrum absorbansi, puncak absorbansi (

) dan warna larutan dye menunjukkan semua dye organik

alam dalam penelitian mengandung karotenoid. Dari Gambar (4.1), konstanta absorbansi paling besar dihasilkan oleh kulit merah buah melinjo (dye-melinjo). Hasil ini memberikan informasi bahwa kandungan karotenoid dalam buah melinjo kulit merah lebih tinggi daripada tomat, kulit orange buah melinjo, wortel, jagung, dan labu kuning/waluh. Gambar (4.2) menunjukkan variasi konsentrasi dye-melinjo menghasilkan konstanta absorbansi yang berbeda. Semakin besar konsentrasi dye-melinjo maka semakin besar pula konstanta absorbansi.

Gambar 4.2 Spektrum absorbansi anatase/dye-melinjo dan spektrum absorbsi anatase/beta-karoten. Gambar 4.2. menyajikan spektrum absorbansi lapisan

/dye-melinjo dan

/beta-karoten. Dye ditanamkan dengan rendaman lapisan

ke dalam dye

selama I hari. Gambar (4.5) menunjukkan spektrum absorbansi

dan dye

saling melengkapi dari ultraviolet hingga cahaya tampak serta menunjukkan molekul dye telah berikatan dengan

. Ikatan dye dengan

elektron dapat mengalir antara dye tereksitasi dan commit to user

7

memungkinkan

(Gao, dkk. 2000).


digilib.uns.ac.id

4.2. Karakteristik sifat Listrik (fotokonduktivitas) dye-melinjo Pengukuran arus-tegangan (I-V) dye organik alam dilakukan menggunakan metode dua elektroda. Pengukuran dilakukan untuk mengtahui respon I-V dye organik alam dalam keadaan gelap dan di bawah pencahayaan lampu halogen intensitas 100

. Lampu halogen digunakan karena memiliki spektrum

mirip dengan sinar matahari (Lin, dkk. 2007). Hasil pengukuran spektrum absorbansi dan konduktivitas menunjukkan bahwa seluruh dye organik alam dalam penelitian ini dimungkinkan sebagai dye sensitizer untuk DSSC. Namun dye-melinjo dipilih sebagai dye sensitizer karena menghasilkan konstanta absorbsi dan konduktivitas paling besar yang diharapkan memberikan efek sensitizer lebih tinggi.

Gambar 4.3 Kurva arus-tegangan (I-V) dari dye-melinjo dan beta-karoten keadaan gelap dan di bawah pencahayaan Lampu halogen intensitas 100 . Kulit buah melinjo yang telah halus kemudian dikeringkn dengan cara dianginkan selama 24 jam. Pengeringan kulit buah melinjo bertujuan untuk mendapatkan konduktivitas dye-melinjo yang lebih besar. Karakteristik listrik disajikan pada Gambar (4.3). Gambar 4.3 menunjukkan kurva I-V dye-melinjo (1 gram melinjo alam/2

commit user melinjo kering dan beta-karoten N-heksan) kulittobuah

8


(0,3

/1

digilib.uns.ac.id

N-heksan). Konduktivitas dye-melinjo dan beta-karoten disajikan

dalam tabel 4.3. Tabel 4.2 Pengaruh pengeringan kulit buah melinjo terhadap konduktivitas dyemelinjo Konduktivitas, Dye

(Gelap)

1 gram melinjo/2 N-heksan sebelaum dikeringkan 1 gram melinjo/2 N-heksan setelah dikeringkan Beta-karoten 0,3 N-heksan

(

(Terang)

) Selisih konduktivitas gelap dan terang ( )

9,58

10-9

1,44

10-8

4,82

10-9

4,79

10-7

1,44

10-6

9,61

10-7

9,58

10-7

1,92

10-6

9,62

10-7

Tabel 4.2 menunjukkan pengaruh pengeringan kulit merah buah melinjo terhadap peningkatan konduktivitas dye-melinjo. Konduktivitas dye-melinjo sebelum kulit melinjo dikeringkan sebesar 4,82 10-7

dikeringkan menjadi 9,61

10-9

dan setelah

. Baik dye-melinjo maupun beta-

karoten memperlihatkan karakteristik listrik yang mendekati yaitu kurva arustegangan (I-V) dari masing-masing dye meningkat linier terhadap pencahayaan (Gambar 4.3) dan nilai sebesar 9,61 4.3

dye-melinjo mendekati beta-karoten yaitu dye-melinjo

10-7

dan beta-karoten sebesar 9,62

10-7

.

Fabrikasi Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) Dye-melinjo dipilih sebagai sensitizer karena menghasilkan konstanta

absorbansi dan konduktivitas paling terbesar. Persiapan alat dan bahan, metode fabrikasi DSSC, dan metode dalam karakterisasi I-V telah dijelaskan dalam Bab III. Hasil pengukuran arus-tegangan (I-V) dan optimasi DSSC disajikan sebagai berikut. 4.4 Karakteristik arus dan tegangan (I-V) DSSC Parameter untuk mengevaluasi kinerja DSSC dalam penelitian ini adalah efisiensi konversi fotolistrik (

) yang ditentukan oleh kerapatan arus hubungan commit to user

9


pendek ( ,

digilib.uns.ac.id

), tegangan rangkaian terbuka (

), dan fill factor (FF). Parameter

, dan FF dapat diekstraksi dari kurva I-V DSSC. Sebagai pendahuluan,

metode arus tegangan digunakan dalam menentukan

,

, FF dan

dari

DSSC berbahan alam dye-melinjo dan beta-karoten yaitu dengan membentuk rangkaian listrik seperti ditunjukkan Gambar (3.3.a). Pengukuran I-V DSSC dilakukan di bawah sumber pencahayaan intensitas

. Arus-tgangan (I-V)

diperoleh terhadap perubahan tahanan resistor. Keithly type 2600A juga digunakan untuk menentukan karakteristik I-V DSSC. Penelitian mengamati pengaruh dari beberapa perlakuan komponen DSSC diantaranya: optimasi pelarut ekstraksi dan rendaman lapisan

, optimasi lama

rendaman melinjo alam menggunakan etanol dalam proses ekstraksi, dan optimasi temperatur anil lapisan

yang kemudian disajikan dalam bentuk kurva I-V

dan tabel.

Gambar 4.4 Kurva I-V DSSC berbahan dye beta-karoten menggunakan Keithly type 2600A pengkuran di bawah cahaya putih (lampu Xenon intensitas 100 ). Pengukuran DSSC menggunakan Keithly type 2600A di bawah lampu Xenon intensitas 100

ditunjukkan oleh Gambar (4.4) dan Gambar (4.5). commit to user Dari Gambar (4.4), DSSC menggunaka beta-karoten (0,05 etanol)

10


diperoleh

digilib.uns.ac.id

= 307

,

= 215

, FF = 0,21, dan

= 1,38

10-2%.

Sedangkan dari Gambar (4.5), DSSC berbahan alam dye-melinjo menghasilkan sebesar 196

,

= 199

FF = 0,28 dan

sebesar 1,05 × 10-2 %.

Gambar 4.5 Kurva I-V DSSC berbahan dye-melinjo menggunakan Keithly type 2600A pengukuran di bawah cahaya putih (lampu Xenon intensitas 100 ).

Gambar 4.6 Kurva I-V DSSC perbandingan dye-melinjo dan beta-karoten menggunakan Keithly type 2600A pengukuran di bawah cahaya putih (lampu Xenon intensitas 100 ). commit to user

11


digilib.uns.ac.id

Perbandingan karakteristik I-V DSSC, dye-melinjo, dan beta-karoten disajikan dalam tabel 4.3. Tabel 4.3 Komponen DSSC Elektroda kerja Elektrolit

Dye

Dyemelinjo Betakaroten

Electroda lawan

anatase anatase

(

)

(

(%)

FF

)

Grafit

196

199

0,28

1,05× 10-2

Grafit

307

215

0,21

1,38 10-2

Tabel (4.3) menunjukkan baik konduktivitas dye,

,

, dan

DSSC

berbahan beta-karoten lebih besar dari dye-melinjo. Hal ini diduga akibat dari proses ekstraksi dye-melinjo tanpa pemurnian sehingga bahan yang tidak berperan dalam meningkatkan sifat optik dan listrik ikut terlarut dalam proses ekstraksi misalnya lemak yang terkandung dalam melinjo. Selain itu, menjadi sulit untk menjaga konsentrasi kandungan dye-melinjo dalam pelarut dikarenakan tingkat kematangan yang berbeda dari kulit merah buah melinjo. Banyak faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC. Beberapa parameter meliputi pelarut pengekstrak, sifat dye, pori dan ketebalan lapisan

, sifat dari

garam elektrolit dan elektroda lawan. Dengan kata lain, kualitas material menentukan kinerja DSSC. Dalam penelitian ini, efisiensi DSSC berbahan dyemelinjo masih rendah terutama

dan FF yang rendah. Nilai-nilai efisiensi

konversi daya yang rendah dikaitkan dengan resistansi seri ( DSSC dalam penelitian yaitu 6

yang besar dari

dan tahanan lapisan grafit 6

.

V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis data dan temuan penelitian pada Bab IV, dapat commit to user disimpulkan bahwa sifat optik (spektrum absorbansi) dan sifat listrik

12


digilib.uns.ac.id

(fotokonduktivitas) dye dari berbagai organik alam dapat digunakan sebagai sensitizer. Kulit merah dari buah melinjo (dye-melinjo) menjadi pilihan sebagai sensitizer DSSC karena menghasilkan spektrum absorbansi dan fotokonduktivitas paling besar dari bahan organik alam lainnya dalam penelitian. Secara khusus dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Spektrum absorbsi baik dye-melinjo maupun beta-karoten terletak di rentang cahaya tampak kisaran 380-520 449 dan 474

dengan puncak absorbansi dye-melinjo

mendekati puncak beta-karoten pada 450 dan 477

,

sehingga dapat diketahui bahwa dye-melinjo mengandung beta-karoten. 2. Selisih konduktivitas (

) dye-melinjo keadaan gelap dan di bawah 10-7

pencahayaan sebesar 9,61 sebesar 9,62

10-7

, mendekati

beta-karoten

. Baik dye-melinjo maupun beta-karoten

memperlihatkan karakteristik arus-tegangan (I-V) dari masing-masing dye meningkat linear di bawah pencahayaan. 3. DSSC berbahan dye-melinjo menghasilkan

berbahan beta-karoten diperoleh = 1,38

;

= 199

sebesar 1,05 × 10-2 %. Sedangkan DSSC

; FF = 0,28 dan

0,21; dan

sebesar 190

= 307

;

= 215

; FF =

10-2%.

5.2 Saran Berdasarkan kesimpulan yang diperoleh, diajukan saran sebagai berikut: 1. Diperlukan analisis untuk menentukan jenis dan konsentrasi tiap karotenoid dari kuli merah buah melinjo sehingga sifat optik dan listrik masing masing karotenoid dapat diidentifikasi. 2. Untuk sel surya yang lebih efisien diperlukan rentang spektrum absorbsi dye yang luas. Oleh karena itu penelitian lebih lanjut perlu dilakukan untuk memperluas spektrum absorbsi beta-karoten yang bisa dialkukan dengan kombinasi spektrum dye saling melengkapi. 3. Stabilitas dye alami menjadi perhatian utama bagi DSSC berbasis dye organik alam. Oleh karena itu penelitian lebih lanjut perlu dilakukan untuk commit to user

13


digilib.uns.ac.id

meningkatkan stabilitas beta-karoten yang mungkin dikombinasikan dengn bahan organik lain yang lebih stabil. DAFTAR PUSTAKA Calandra P., Calogero G., Sinopoli A., and Gucciardi P G., 2010, Metal Nanoparticles and Carbon-Based Nanostructures as Advanced Materials for Cathode Application in Dye-Sensitized Solar Cells (Review Article), Hindawi Publishing Corporation, International Journal of Photoenergy, Volume 2010, Article ID 109495, 15 pages, doi:10.1155/2010/109495. Gardjito M., Murdiati A., Aini N., 2006, Mikroenkapsulasi β-karoten Buah Labu Kuning dengan Enkapsulan Whey dan Karbohidrat, Jurnal Teknologi Pertanian, 2(1): 13-18, Agustus 2006, ISSN 1858-2419. Kalyanasundaram K., Gratzel M., 1998, Applications of functionalized transition metal complexes in photonic and optoelectronic devices, Coordination Chemistry Reviews, 177 (1998) 347–414. Lin T-W., Lin J-R., Tsai S-Y., Lee J-N., dan Ting C-C., 2007, Absorption Spectra Analysis of Natural Dyes for Applications in Dye-Sensitized Nano Solar Cells, The 31st National Conference on Theoretical and Applied Mechanics. ISU, Kaohsiung, Taiwan: December 21-22, 2007. Narayan M R., 2012, Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers, Renewable and Sustainable Energy (Reviews), 16 (2012) 208– 215. Wei D., 2010, Dye Sensitized Solar Cells, International Journal of Molecular Sciences, 2010, 11, 1103-1113; doi:10.3390/ijms11031103. Zhang Z., 2008, Enhancing the Open-Circuit Voltage of Dye-Sensitized Solar Cells: CoadSorbents and Alternative Redox Couples, École Polytechnique Fédérale De Lausanne (Un published).

commit to user

14


digilib.uns.ac.id

Boisandi. S911108002. 2013.Studi Kajian Dye Kandungan Beta-Karoten Dan Optimasinya Sebagai Dye Sensitized Solar Cells (DSSC). Tesis. Prmbimbing I: Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D, II: Dr. Agus Supriyanto M.Si. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta. ABSTRAK Dye sensitized solar cell (DSSC) dapat menawarkanbaik fleksibilitas maupun transparansi dengan biaya produksi lebih murah dari sel surya jenis silikon. Susunan DSSC dalam penelitian terdiri dari FTO/ /dye/elektrolit/Grafit/FTO. Penelitian bertujuan memperoleh sifat optik (spektrum absorbansi) dan listrik (fotokonduktivitas) dye organik alam yang mengandung beta-karoten serta karakteristik arus-tegangan (I-V) DSSC. Uji sifat optik menggunakan Spectrophotometer UV Visible 1601 PC, uji kelistrikan menggunakan Elkahfi 100/I-V meter dan karakterisasi I-V DSSC menggunakan Keithley Type 2600A. Spektrum absorbansi dan fotokonduktivitas optimum dihasilkan oleh dye dari kulit merah buah melinjo (kemudian disebut dye-melinjo). Hasil penelitian menunjukkan spektrum absorbansi dye-melinjo maupun beta-karoten terletak di rentang cahaya tampak kisaran 380-550 dengan puncak absorbansi dyemelinjo 449 dan 474 mendekati puncak beta-karoten 450 dan 477 . Karakteristik listrik (I-V) dari dye dalam penelitian meningkat linear di bawah pencahayaan. Selisih konduktivitas ( ) dye-melinjo keadaan gelap dan di bawah pencahayaan sebesar 9,61 10-7 sedangkan beta-karoten sebesar -7 10 . Krakterisasi I-V DSSC berbahan dye-melinjo menghasilkan sebesar 196 ; = 199 ; FF = 0,28; dan sebesar 1,05×10-2 %. Sedangkan DSSC berbahan beta-karoten diperoleh = 307 ; = 215 -2 ; FF = 0,21; dan = 1,38 10 %. Secara keseluruhan dye-melinjo dapat menjadi alternatif menarik sebagai dye sensitizer. Kata kunci: Dye Sensitized Solar cell (DSSC), beta-karoten, melinjo (Gnetum gnemon), .

commit to user

xii


digilib.uns.ac.id

Boisandi. S911108002. 2013. The study of dye containing of Beta-Carotene and dye optimization as Dye-sensitized Solar Cells (DSSC). Thesis. Advisor I: Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D, II: Dr. Agus Supriyanto M.Si. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta. ABSTRACT Dye-sensitized solar cell (DSSC) can offer both flexibility and transparency at the cost of production is cheaper than silicon solar cells. The composition of the DSSC in this study consisted of FTO/TiO2/dye/electrolite/Graphite/FTO. This research aims to obtain optical properties (spectrum absorption) and electricity properties (photoconductivity) from natural dye containing of beta-carotene and current-voltage (I-V) characteristics of the DSSC.Test optical properties, electrical properties, and I-V characterization of the DSSC using UV Visible Spectrophotometer 1601 PC, Elkahfi 100/IV meter and Keithley type 2600A, respectively. Optimum absorption spectra and photoconductivity generated by the dye from red skin of melinjo fruit (then called dye-melinjo).This study shown the absorption spectra of dye-melinjo and beta-carotene in the range of 380-550 nm with a peak absorption of dye-melinjo 449 and 474 nm which is similar to peak of the wave the beta-karoten on 450 and 477 nm. Electrical characteristics (I-V) of the dye increased linearly under illumination.Difference conductivity in the dark and irradiation (Δσ) dye-melinjo is 9.61 × 10-7 .while Δσ the betacarotene is 9.62 × 10-510-7 .I-V characteristic DSSC from dye-melinjo obtained 199 mV; = 199 μA/cm2; FF = 0.28; and = 1,05 × 10-2%. The DSSC from beta-carotene obtained = 307 mV; = 215 μA/cm2; FF = 0.21; and = 1.38 10-2, respectively.Overall, the dye-melinjo could be attractive alternative as a dye sensitized. Keywords: Dye Sensitizer Solar cell (DSSC), beta-carotene, melinjo (Gnetum gnemon), TiO2.

commit to user

xiii

PROGRAM STUDI ILMU FISIKA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2014

Recommend Documents