SEL SURYA FOTOELEKTROKIMIA BERBASIS FILM KOMPOSIT NANOPARTIKEL TiO2-MoO3 DAN DYE ANTOSIANIN
ASTUTI ALAWIYAH
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2017
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sel Surya Fotoelektrokimia Berbasis Film Komposit Nanopartikel TiO2-MoO3 dan Dye Antosianin adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Januari 2017 Astuti Alawiyah NIM G74120038
ABSTRAK ASTUTI ALAWIYAH. Sel Surya Fotoelektrokimia Berbasis Film Komposit Nanopartikel TiO2-MoO3 dan Dye Antosianin. Dibimbing oleh AKHIRUDDIN MADDU dan SIDIKRUBADI PRAMUDITO. Penelitian untuk mendapatkan sumber energi baru yang murah, dapat diperbaharui, dan dapat digunakan secara massal terus dikembangkan, salah satunya adalah penelitian tentang sel surya. Sel surya tersensitisasi dye (DSSC) dengan menggunakan nanopartikel Titanium dioxide berdoping Molybdenum trioxide sebagai fotoanoda dan dye antosianin yang diektraks dari buah Melastoma malabathricum L. sebagai fotosensitizer telah difabrikasi dan dikarakterisasi. Lapisan fotoelektroda komposit nanopartikel TiO2-MoO3 dibuat dengan menggunakan teknik blade casting dan dikarakterisasi menggunakan Xray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscopy (SEM). Nanopartikel TiO2 telah di tambahkan nanopartikel MoO3 dengan variasi 1%, 5%, dan 10%. Penambahan MoO3 ini dapat memperkecil celah antara pita valensi dan pita konduksi sehingga elektron akan mudah tereksitasi. Pengujian karakterisasi fotoelektrokimia telah dilakukan dengan sumber cahaya matahari. Efisiensi konversi sampel murni TiO2, berdoping MoO3 1%, 5%, dan 10% masing-masing sebesar 0.011%; 0.004%; 0.023%; dan 0.008% Kata kunci: dye antosianin, sel surya tersensitisasi dye, TiO2-MoO3.
ABSTRACT ASTUTI ALAWIYAH. Photoelectrochemical Solar Cell Based on Composite Nanoparticle TiO2-MoO3 Film and Anthocyanin Dye. Supervised by AKHIRUDDIN MADDU and SIDIKRUBADI PRAMUDITO. Research for obtained low-cost, renewable, and can used generally energy source have been depeloved, one of that is research about solar cells. Dye sensitized solar cells (DSSCs) with nanoparticle Titanium dioxide added by Molybdenum trioxide as photoanode and anthocyanin dye from Melastoma malabathricum L. fruit as photosensitizer was succesfully fabricated and charactherized. Composite nanoparticle TiO2-MoO3 films photoelectrode have been made using blade casting thecnique and characterized by X-ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Nanoparticle TiO2 added by MoO3 with variation 1%, 5%, and 10%. This adding aimed to decrease energy gap between valence band and conductive band that made electron excited easier. Photoelectrochemical characterization have been testing with sunlight resources. The efficiency of pure TiO2 sample, doped by MoO3 1%, 5%, and 10% for each sample is 0.011%; 0.004%; 0.023%; dan 0.008%. Keywords: anthocyanin dye, dye sensitized solar cells, TiO2-MoO3.
SEL SURYA FOTOELEKTROKIMIA BERBASIS FILM KOMPOSIT NANOPARIKEL TiO2-MoO3 DAN DYE ANTOSIANIN
ASTUTI ALAWIYAH
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2017
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena dengan rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Sel Surya Fotoelektrokimia Berbasis Film Komposit Nanopartikel TiO2-MoO3 dan Dye Antosianin” yang merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan tugas akhir program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Shalawat serta salam dijunjungkan kepada Nabi Besar, Nabi Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan umatnya hingga akhir zaman. Penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Bapak Dr Akhiruddin Maddu, MSi dan Bapak Drs Sidikrubadi Pramudito, MSi selaku dosen pembimbing yang selalu memberikan motivasi, nasehat, semangat serta bimbingan dalam penyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Drs Moh Nur Indro, MSc selaku dosen pembimbing akademik dan dosen penguji. 3. Orang tua (Bapa Ach. Suherman dan Mama Aan) dan semua anggota keluarga yang telah memberikan do’a, kasih sayang, dan semangat yang luar biasa. 4. Teman-teman Fisika 49 dan civitas akademika Departemen Fisika IPB 5. Teman-teman satu bimbingan Tugas Akhir (Reza, Juita, Parti, Adi, Hisyam dan Yuliyanti) 6. Teman-teman satu bimbingan akademik (Gita, Leni, dan Novitasari) 7. Teman-teman satu kosan (Abin, Susi, Umi, Ulfa, Ayu, Nurul, Laila, dan Lia) terimakasih sudah menjadi keluarga kedua selama di IPB. Dalam penyusunan skripsi ini, penulis menyadari masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran dari berbagai pihak agar dapat lebih baik lagi kedepannya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Januari 2017 Astuti Alawiyah
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Hipotesis TINJAUAN PUSTAKA Konversi Energi Matahari Sel Surya Fotoelektrokimia Tersentisisasi dye Dye antosiain Karakteristik Sel Fotoelektrokimia Titanium dioxide Molybdenum trioxide Lapisan Komposit Nanopartikel TiO2-MoO3 METODE Waktu dan Tempat Penelitian Alat Bahan Prosedur Penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Molybdenum trioxide Hasil Deposisi Lapisan TiO2-MoO3 Analisis Karakterisasi X-ray Diffracion Analisis Scanning Electron Microscope Spektrum Serapan Dye Antosianin Karakterisasi Arus-Tegangan (I-V) Sel Fotoelektrokimia SIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP
vi vi vi 1 2 2 2 2 2 3 4 5 6 7 7 8 8 8 9 10 11 12 13 14 15 17 18 20 28
DAFTAR TABEL 1 Struktur umum beberapa jenis antosianin dan daerah serapan maksimum pada panjang gelombang cahaya tampak 2 Karakteristik I-V sel fotoelektrokimia keempat sampel
5 17
DAFTAR GAMBAR 1 Prinsip kerja sel surya fotoelekrokimia 2 Struktur kimia antosian 3 Buah senduduk (Melastoma malabathricum L.) 4 Kurva karakteristik I-V DSSC 5 Struktur kristal TiO2 6 Struktur kristal MoO3 7 Susunan VB dan CB pada TiO2-MoO3 8 Skema pengukuran karakteristik I-V 9 Hasil karakterisasi SEM nanopartikel MoO3 10 Hasil karakterisasi XRD nanopartikel MoO3 11 Sampel A, B, C, dan D setelah direndam dye 12 Karakterisasi XRD sampel A, B, C, dan D 13 Karakterisasi SEM sampel A, B, C, dan D 14 Spektrum serapan dye antosiani 15 Kurva karakteristik I-V sel surya fotoelektrokimia 16 Kurva hubungan tegangan dan daya keluaran
3 4 5 6 6 7 8 10 11 11 11 12 13 14 15 16
DAFTAR LAMPIRAN 1 Diagram alir penelitian 2 Literatur Analisis XRD JCPDS-ICDD 3 Data absorbansi dye antosianin 4 Contoh perhitungan nilai absorbansi berdasarkan Hukum Beer-Lambert 5 Data karakteristik I-V sel surya 6 Data tegangan dan daya berdasarkan kurva I-V sel surya 7 Contoh perhitungan karakteristik I-V sel surya
20 21 22 24 25 26 27
PENDAHULUAN Latar Belakang Ketersediaan energi berbasis fosil semakin hari semakin berkurang dengan semakin meningkatnya eksploitasi dan konsumsi energi dunia. Energi berbasis fosil merupakan energi yang tidak dapat diperbaharui, sehingga akan habis dalam kurun waktu tertentu. Penelitian untuk mendapatkan sumber energi baru yang murah, renewable (dapat diperbaharui), dan dapat digunakan secara massal terus dikembangkan, salah satunya adalah penelitian tentang sel surya (solar cell). Penelitian sel surya di Indonesi memiliki potensi yang besar, karena Indonesia merupakan negara tropis yang terletak diantara 6o LU - 11o LS dan 95o BT - 141o BT. Sehingga Indonesia merupakan salah satu negara yang menerima panas matahari lebih banyak dari pada negara lain, yaitu 4800 watt/m2/hari.1 Konversi secara langsung energi matahari menjadi energi listrik akan menjadi sumber energi alternatif yang menjanjikan. Berdasarkan perkembangan teknologi, sel surya dibedakan menjadi tiga; (1) sel surya yang terbuat dari silikon kristal tunggal dan multi kristal, (2) sel surya tipe lapis tipis, (3) sel surya organik dan sel surya fotoelektrokimia. Jenis sel surya fotoelektrokimia banyak dikembangkan karena tidak memerlukan biaya yang mahal dan material yang dibutuhkan tidak memerlukan tingkat kemurnian yang tinggi. Sel surya fotoelektrokimia pertama kali diperkenalkan oleh Gratzel pada tahun 19912. Proses konversi secara langsung energi cahaya menjadi energi listrik atau kimia memerlukan bahan semikondukor sebagai katalis. Oksida logam transisi seperti TiO2, WO3, ZnO, CuO, dan Fe2O3 sudah banyak dipelajari katakteristik fotokatalik dan fotoelektrokimianya.3 TiO2 (Titanium dioxide) sering diteliti untuk aplikasi photochromics dan photovoltaic karena mempunyai potensi mengubah cahaya menjadi energi listrik. Selain itu, TiO2 murah, tidak beracun, dan stabil dalam air sehingga sering digunakan dalam berbagai proses yang mempunyai dampak lingkungan yang kecil. Akan tetapi, efisiensi konversi energi material oksida tersebut masih rendah, sehingga aplikasinya terbatas. Penelitian untuk mencari material dengan sifat photophysical baru yang dapat berpotensi disetel untuk sel surya yang lebih praktis terus dikembangkan. Salah satu penelitian tersebut adalah dengan mengontrol orientasi partikel atau membuat partikel dengan bentuk heterostucture pada kaca substrat. Penambahan nanopartikel MoO3 ke dalam nanopartikel TiO2 diharapkan dapat mempermudah eksitasi elektron dan memperkecil jarak pita konduksi dan valensi. Lapisan komposit nanopartikel TiO2-MoO3 dapat membentuk heterojunction sehingga elektron tereksitasi dari pita valensi TiO2 dan ditransfer ke pita konduksi MoO3. Dengan terbentuknya struktur baru ini, diharapkan dapat meningkatkan efisiensi konversi energi matahari dalam sel surya.4,5,6 Molybdenum trioxide (MoO3) merupakan oksida logam transisi sering diteliti karakteristik elektrokromik dan fotoelektrokromiknya, diaplikasikan untuk smart window dan peralatan display, gas sensing, dan katalis. Material ini juga dapat diaplikasikan sebagai material aktif dalam sel surya sebagai lapisan pengabsorbsi.7,8 MoO3 merupakan semikonduktor intrinsik tipe-n dengan lebar band gap sebesar ~3,2 eV.9
2 Kinerja sel fotoelektrokimia berbasis nanokomposit TiO2-MoO3 dapat ditingkatkan dengan melakukan sensitisasi dye. Berbeda dengan sel surya p-n silikon, pada sel surya tersensitisasi dye cahaya foton diserap oleh dye yang melekat pada permukaan semikonduktor yang bertindak sebagai donor elektron dan berperan sebagai pompa fotoelektrokimia. Dye yang digunakan sebagai sensitizer dapat berupa dye sintesis maupun dye alami. Dye sintesis umumnya menggunakan organik logam berbasis ruthenium kompleks. Sedangkan dye alami dapat diekstrak dari bagian-bagian tumbuhan seperti daun, bunga atau buah.10 Berbagai jenis ekstrak tumbuhan telah digunakan sebagai fotosensitizer pada sistem sel surya tersensitisasi dye. Ekstrak dye atau pigmen tumbuhan yang digunakan sebagai fotosensitizer berupa ekstrak klorofil, karoten, atau antosianin. Pada penelitian ini digunakan dye antosianin yang diekstrak dari buah senduduk (Melastoma malabathricum L.). Antosianin menyerap cahaya tampak dengan baik karena mempunyai susunan ikatan rangkap terkonjugasi.11 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang dipaparkan, maka rumusan masalah yang diajukan dalam penelitian ini adalah bagaimana membuat sel surya berbasis komposit nanopartikel TiO2-MoO3 sebagai fotoelektroda dan tersensitisasi dye antosianin sehingga mempunyai karakteristik fotoelektrokimia dengan energi efisiensi yang tinggi. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan : 1. Membuat lapisan komposit nanopartikel TiO2-MoO3 dengan penambahan nanopartikel MoO3 sebagai fotoanoda pada fotoelektrokimia. 2. Melakukan karakterisasi pada film TiO2-MoO3. 3. Mendapatkan performa sel surya yang baik.
variasi sistem
Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang fabrikasi sel surya fotoelektrokimia yang relatif murah dan dapat diproses dengan cara yang mudah. Selanjutnya, dapat memberikan informasi mengenai pengaruh penambahan nanopartikel MoO3 terhadap nanopartikel TiO2 pada elektroda kerja sel surya yang diharapkan dapat meningkatkan performa sel surya tersensitisasi dye antosianin. Hipotesis Variasi penambahan nanopartikel MoO3 terhadap film komposit TiO2-MoO3 menghasilkan karakteristik I-V yang berbeda. Efisiensi sel fotoelektrokimia TiO2MoO3 dapat ditingkatkan dengan merendamnya dalam larutan dye antosianin.
3
TINJAUAN PUSTAKA Konversi Energi Matahari Cahaya matahari merupakan sumber energi utama untuk menopang kehidupan manusia. Seiring dengan menipisnya cadangan bahan bakar yang terkandung dalam perut bumi, konversi langsung cahaya matahari menjadi energi listrik akan menjadi sumber energi alternatif yang dapat diperbaharui (renewable).13 Teknologi pemanfaatan tenaga surya secara umum dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu energi listrik, bahan bakar kimia, dan energi panas. Pertama, cahaya matahari dapat dikonversi menjadi energi listrik dengan eksitasi elektron dalam sel surya. Kedua, cahaya matahari dikonversi menjadi bahan bakar kimia dengan fotosintesis alami atau rekayasa fotosintesis buatan. Ketiga, sinar matahari dapat menghasilkan panas untuk digunakan secara langsung dalam pembangkit tenaga listrik.15 Berdasarkan perkembangan teknologi, sel surya dibedakan menjadi tiga; (1) sel surya yang terbuat dari silikon kristal tunggal dan multi kristal, (2) sel surya tipe lapis tipis, (3) sel surya organik dan sel surya fotoelektrokimia. Seiring perkembangan teknologi, para peneliti banyak mengembangkan jenis sel surya fotoelektrokimia, karena tidak memerlukan biaya yang mahal dan material yang dibutuhkan tidak memerlukan tingkat kemurnian yang tinggi. Sel surya fotoelektrokimia pertama kali diperkenalkan oleh Gratzel pada tahun 1991.2 Sel Surya Fotoelektrokimia Tersensitisasi Dye Sel fotoelektrokimia merupakan persambungan semikonduktor-elektrolit. Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya generasi ketiga, yang pertama kali diperkenalkan oleh Graetzel pada tahun 1991 sehingga sering disebut sel Greatzel atau dye-sensitized solar cells (DSSC).3 Sel ini dilengkapi dengan pasangan redoks yang diletakkan dalam sebuah elektrolit (bisa berupa padat atau cairan). DSSC menggunakan tiga material aktif: dye organik sebagai meterial yang menyerap foton, lapisan nanokristal logam oksida sebagai material pengangkut elektron dan elektrolit sebagai material pengangkut ion.16 Dye-sensitized solar cells (DSSC) tersusun atas sepasang elektroda counter dan elektroda kerja. Elektroda terbuat dari kaca konduktif (Transparent Conductive Oxide/ TCO). Pada elektroda dilapisi oleh oksida nanopartikel yang dilapisi oleh molekul zat pewarna (dye) sensitizer. Molekul dye berfungsi sebagai
Gambar 1 Prinsip kerja sel fotoelektrokimia10
4 penangkap foton cahaya, sedangkan nanopartikel semikonduktor berfungsi meneruskan foton menjadi elektron. Pada counter elektroda diberi katalis, umumnya karbon atau platinum, berfungsi untuk mempercepat kinetika reaksi proses reduksi pada TCO. Selain itu DSSC juga menggunakan media elektrolit sebagai medium transportasi muatan.14 Pada penelitian ini, digunakan film semikonduktor yang terbuat dari campuran nanopartikel TiO2-MoO3 sebagai pelapis pada TCO. Reaksi yang terjadi dalam sel surya nanokristal TiO2-MoO3 tersensitisasi dye untuk menghasilkan energi adalah sebagai berikut : Dye + cahaya → dye* Dye* + TiO2-MoO3 → e-( TiO2-MoO3) + dye+ e-( TiO2-MoO3) + C.E → TiO2-MoO3 + e- (C.E) + electrical energy Dye+ + electrolyte liquid → dye + electrolyte liquid Electrolyte liquid + e- (C.E) → electrolyte liquid + C.E
(1) (2a) (2b) (3) (4)
Prinsip kerja sel surya tersensitisasi dye mirip dengan mekanisme fotosintesis, yaitu cahaya diserap oleh dye yang menghasilkan aliran elektron ke elekroda lapisan komposit TiO2-MoO3 yang bertindak sebagai kolektor elektron. Ketika dye menerima foton, elektron dalam dye akan tereksitasi (dye*) dari tingkat HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) ke tingkat LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Elektron-elektron tersebut terinjeksi ke pita konduksi lapisan TiO2-MoO3 dan mengalir menuju rangkaian luar sehingga menghasilkan arus listrik. Dye yang teroksidasi (dye+) mengakibatkan reaksi oksidasi dalam elektrolit. Elektron-elektron selanjutnya masuk kembali ke dalam sel melalui counter electrode (C.E) dan menginduksi reaksi reduksi di dalam sel.15 Penggunaan elektrolit redoks menyebabkan reaksi bersifat reversibel. Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya tersentisisasi dye berasal dari perbedaan tingkat energi konduksi elektroda semikonduktor dan potensial elektrokimia pasangan kopel redoks. Sedangkan arus yang dihasilkan terkait langsung dengan jumlah foton yang terlibat dalam proses konversi dan bergantung pada intensitas penyinaran serta kinerja dye yang digunakan. 16 Dye Antosianin Antosianin merupakan kelompok pigmen paling penting untuk tumbuhan selain klorofil. Antosianin termasuk kedalam subkelas senyawa organik flavonoid yang termasuk kedalam kelompok polifenol.17 Antosianin menyerap cahaya tampak dengan baik karena mempunyai susunan ikatan rangkap terkonjugasi.
Gambar 2 Struktur kimia antosianin11
5 Tabel 1 Struktur umum beberapa jenis antosianin dan daerah serapan maksimum pada panjang gelombang cahaya tampak11 Antosianin
R1
R2
Delfinidin Petunidin Malvidin Sianidin Peonidin Pelargonidin
OH OH OCH3 OH OCH3 H
OH OCH3 OCH3 H H H
λ (nm) R3=H 546 543 542 535 532 520
R3=Glukosa 541 540 538 530 528 516
Sehingga sering digunakan sebagai antioksidan dan penyerap (dye) untuk cahaya tampak pada DSSC. Selain itu antosianin juga memberikan warna ungu dan merah pada banyak buah dan bunga. Beberapa senyawa antosianin yang paling banyak ditemukan adalah pelargonidin, peonidin, sianidin, malvidin, petunidin, dan delfinidin. Pelarut yang sering digunakan untuk mengekstrak antosian adalah alkohol, etanol, metanol, isopropanol, aseton, atau dengan air suling yang dikombinasikan dengan asam.11 Pada penelitian ini, antosianin diekstraks dari buah senduduk (Melastoma malabathricum L.) yang banyak tumbuh di daerah tropis dan dapat dijadikan sebagai tanaman perintis karena dapat tumbuh di tanah yang kekurangan nutrisi dengan kandungan fosfor yang sedikit dan tanah asam.17 Karakteristik Sel Fotoelektrokimia Karakteristik sel surya digambarkan oleh beberapa kuantitas, yaitu daya output, faktor pengisian (fill factor, FF) dan efisiensi konversi ( ) serta stabilitas. Pada umunya ada dua kuantitas yang diperhatikan dalam menggolongkan hasil konversi sel fotoelektrokimia, yaitu arus dan tegangan. Efisiensi sel surya ini didefinisikan sebagai kemampuan dari sel surya untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik dalam bentuk arus dan tegangan listrik.18 Efisiensi konversi dapat diperoleh melalui persamaan : (5) Pmax adalah daya maksimum yang dihasilkan sel dan Pin adalah daya dari cahaya yang masuk. Pmax = Vmax . Imax = Voc . Isc . FF (6) Pin = Iin . A (7)
Gambar 3 Buah senduduk (Melastoma malabathricum L.)
6
Gambar 4 Kurva karakteristik I-V DSSC19 Iin adalah intensitas sumber cahaya dan A adalah luas permukaan prototipe sel surya. FF merupakan “Fill Factor” sel surya, yang didapat dari persamaan : (8) Gambar 4 merupakan kurva arus-tegangan (I-V) yang menunjukan kemampuan sel dalam memproduksi tegangan dan arus. Pada tersebut diperlihatkan tegangan open circuit (Voc), arus short circuit (Isc), tegangan maksimum, arus maksimum dan fill factor. Saat kondisi short circuit (Isc), sel akan menghasilkan arus short circuit. Saat kondisi open circuit tidak ada arus yang mengalir sehingga tegangannya akan menjadi maksimum atau disebut dengan tegangan open circuit. Fill factor merupakan ukuran kualitas performa sel surya.19 Titanium dioxide (TiO2) TiO2 (Titanium dioxide) sering diteliti untuk aplikasi photochromics dan photovoltaic karena mempunyai potensi mengubah cahaya menjadi energi listrik. Selain itu, TiO2 murah, tidak beracun, dan stabil dalam air sehingga sering digunakan dalam berbagai proses yang mempunyai dampak lingkungan yang kecil.4
(a) (b) (c) Gambar 5 Struktur kristal TiO2 pada fase (a) rutile (b) anatase (c) brookite19
7
Gambar 6 Struktur kristal MoO3 (a) orthorombik (b) monoklinik (c) heksagonal Terdapat tiga truktur kristal TiO2, yaitu rutile, anatase, dan brookite seperti yang terlihat pada Gambar 5. Struktur rutile dan anatase keberadaanya cukup stabil, mempunyai bentuk kristal tetragonal. Sedangkan struktur brookite biasanya terdapat dalam mineral dan sulit dimurnikan, dengan bentuk kristal orthorombik.20 Besar celah energi TiO2 dalam struktrur anatase adalah ~3,4 eV dan pada struktur rutile sebesar ~3,0 eV, dan pada struktur brookite sebesar ~3,3 eV. TiO2 alami aktif menyerap cahaya UV dari spektrum elektromagnetik dan dapat digunakan secara langsung dalam dye sensitized solar cell (DSSC).21 Molybdenum trioxide (MoO3) Molybdenum oxide dan turunannya merupakan oksida logam transisi yang sering dikembangkan dalam bentuk nanomaterial karena mempunyai struktur dan sifat optik yang unik. Molibdenum oksida memiliki daerah oksidasi dari +2 sampai +6, terdiri dari dua bentuk yaitu molibdenum (IV) dan (VI) oksida. Molybdenum (VI) oxide (MoO3) merupakan semikonduktor tipe-n memiliki sifat elektrokromik, termokromik, dan fotokromik yang khas, sering diteliti sebagai material pintar untuk katalis, sensor, pelumas, baterai litium, sel surya organik, dan peralatan display.7 Umumnya, MoO3 mempunyi tiga bentuk kristal, orthorombik (α-MoO3), monoklinik (β-MoO3), dan heksagonal (h-MoO3), seperti yang terlihat pada Gambar 6. Bentuk kristal β-MoO3 dan h-MoO3 lebih banyak diteliti daripada bentuk α-MoO3 karena mempunyai sifat fisikokimia yang baik. Material ini ideal digunakan sebagai elektroda dalam fotovoltaik dan sel surya fotoelektrokimia.7 Film tipis MoO3 mempunyai kemampuan mengabsorbsi yang tinggi dan mudah bertransisi dari satu band gap ke band gap yang lain.8 MoO3 merupakan semikonduktor intrinsik tipe-n dengan lebar band gap sebesar ~3,2 eV.9 Lapisan Komposit Nanopartikel TiO2-MoO3 Penambahan nanopartikel MoO3 ke dalam nanopartikel TiO2 diharapkan dapat mempermudah eksitasi elektron dan memperkecil jarak pita konduksi dan valensi. Lapisan komposit nanopartikel TiO2-MoO3 dapat membentuk heterojunction sehingga elektron tereksitasi dari pita valensi TiO2 dan ditransfer ke pita konduksi MoO3 dan diikuti oleh pasangan elektron-hole. Dengan terbentuknya struktur baru ini, diharapkan dapat meningkatkan efisiensi konversi
8
Gambar 7 Susunan pita valensi (VB) dan pita konduksi (CB) pada TiO2-MoO320 energi matahari dalam sel surya.4,5,6 Beberapa metode untuk membuat lapisan ini telah digunakan, diantaranya teknik Langmuir-Blodgett (LB), pemasangan layerby-layer, spin-coating, casting, vapor deposition, sol-gel, sputtering, dan spray pyrolysis.5,6 Dalam penelitian digunakan tektik casting, karena lebih murah dan mudah. Hasil fotodegradasi lapisan semikonduktor TiO2-MoO3 menunjukkan peningkatan persentase MoO3 dipermukaan TiO2 dapat meningkatkan aktivitas fotokatalis. Tetapi pada konsentrasi yang tinggi pasangan elektron dan hole MoO3 mulai mendominasi dan aktivitas fotokatalis menurun.22
METODE Waktu dan Tempat Penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Material, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Dari bulan Oktober 2015 sampai Agustus 2016. Bahan Bahan untuk sintesis nanopartikel MoO3 adalah Ammonium molybdate tetrahydrate ((NH3)6MO7O24H2O) sebagi sumber tunggal Mo dan O, asam nitrat (HNO3), etanol, aquades. Sedangkan untuk membuat lapisan TiO2-MoO3 adalah Degussa P25 TiO2, nanopartikel MoO3, asam asetat (CH3COOH), kaca ITO (Indium Tin Oxide), etanol, akuades, surfaktan (Triton X-100). Bahan untuk membuat dye antosianin adalah buah senduduk (Melastoma malabathricum L.) dan etanol. Alat Untuk mensintesis nanopartikel MoO3 peralatan yang digunakan adalah timbangan analitik, pengaduk magnetik, ultranonicator, furnace, pipet tetes, labu takar, jarum suntik. Untuk membuat lapisan TiO2-MoO3 digunakan alat berupa botol kaca, mortar, pipet tetes, batang pengaduk, selotip, spin bar. Film TiO2MoO3 di karakterisasi menggunakan X-ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope (SEM). Sedangkan untuk mengkarakterisasi I-V sel
9 fotoelektrokimia, peralatan yang digunakan adalah elektroda counter (platina), larutan elektrolit (KI 0.5 M), kabel penghubung, multimeter, dan reostat. Adapun sumber cahaya yang digunakan untuk menguji ferforma sel surya berasal dari cahaya matahari. Prosedur Penelitian 1.
Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel MoO3 Sintesis nanopartikel MoO3 menggunakan metode sonokimia (sonochemical methode) dengan senyawa awal ammonium molybdate tetrahydrate ((NH3)6MO7O24H2O) sebagai sumber tunggal Mo dan O, bahan ini dilarutkan dalam 10 mL akuades dengan konsentrasi sebesar 0.2 M. Untuk mendapatkan larutan yang homogen maka diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 10 menit. Kemudian di tambahkan setetes demi setetes asam nitrat 70% sambil diaduk selama 10 menit, larutan akan berwarna putih susu. Selanjutkan larutan di sonikasi selama satu jam dengan amplitudo 30%, 55 detik on, dan 5 detik off. Setelah disonifikasi larutan disentrifugasi dengan akuades kemudian dengan etanol. Bubuk putih yang didapat kemudian dikeringkan selama 12 jam pada suhu 70 oC didalam furnace.7 Setelah nanokristal MoO3 diperoleh, untuk mempelajari sifat-sifatnya, lapisan tersebut dikarakteristik dengan XRD untuk mengamati struktur kristal dan SEM untuk mengamati morfologi dan ukuran partikelnya.
2.
Membuat elektroda lapisan TiO2-MoO3 Bubuk MoO3 yang telah diperoleh kemudian dijadikan doping nanopartikel TiO2 dengan variasi 1%, 5%, dan 10%. Penempelan nanopartikel ke kaca ITO menggunakan metode doctor’s bl de c st g atau slip casting. Campuran TiO2MoO3 ditambahkan asam asetat (pH-3) sebanyak tiga tetes kemudian digerus sampai membentuk suspensi. Suspensi ini kemudian ditambahkan surfaktan (Triton X-100) dua tetes sambil digerus hingga halus. Buat pola 1,5 cm x 1.5 cm pada permukaan konduktif kaca substrat ITO yang mempunyai konduktivitas ratarata 2 Ω menggunakan selotip. Selanjutnya dilakukan penempelan suspensi dan diratakan dengan batang kaca. Kaca substrat yang dilapisi tersebut dipanaskan pada suhu 450 oC selama 30 menit di dalam furnace.19
3.
Ekstraksi dye antosianin Dye antosianin diperoleh dari buah senduduk (Melastoma malabathricum L.), sebanyak lima buah senduduk digerus kemudian ditambah 50 mL etanol, direndam selama 2 jam. Setelah itu larutan disentrifugasi untuk mengekstrak antosianin. Larutan antosianin kemudian di karakterisasi menggunakan spektrofotometer UV-Vis untuk mengetahui daerah serapan cahaya matahari. 4.
Perakitan sel surya fotoelektrokimia Kaca substrat yang telah dilapisi komposit TiO2-MoO3 direndam dalam larutan dye antosianin selama 3 jam, selanjutnya kaca substrat dicuci menggunakan akuades kemudian dipanaskan diatas hotplate pada suhu 100 oC selama satu jam.
10
Gambar 8 Skema pengukuran karakteristik I-V sel fotoelektrokimia Uji Fotoelektrokimia Pengukuran performa sel fotoelektrokimia dapat dilakukan dengan mengukur karakteristik arus tegangan (I-V). Sel fotoelektrokimia terdiri atas elektroda kerja, elektroda counter, larutan elektrolit (larutan KI konsentasi 0.5 M), kabel penghubung, multimeter, reostat, dan sumber cahaya berasal dari matahari. Rangkaian dibuat seperti Gambar 8. Posisi reostat diubah-ubah dari harga maksimum hingga harga minimum secara bertahap. Reostat yang digunakan mempunyai hambatan 50 KΩ. Ketika reostat mempunyai hambatan maksimum, tegangan bernilai maksimum dan disebut Voc (open circuit voltage). Selanjutnya, reostat diputar menuju nilai minimum, nilai tegangan akan menurun dan arus akan bertambah. Nilai arus yang terbaca saat reostat mempunyai hambatan minimum merupakan Isc (short circuit current). Data tegangan dan arus yang diperoleh kemudian diplot ke dalam grafik untuk mengetahui efisiensi dan fill factor sel surya tersebut (sesuai dengan kurva karakteristik I-V). 5.
HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Molybdeum Trioxide Molybdenum trioxide (MoO3) merupakan oksida logam transisi yang sering digunakan untuk katalis, sensor, baterai litium, dan sel surya organik. Pada penelitian ini, nanopartikel MoO3 disintesis dari ammonium molybdate tetrahydrate ((NH3)6MO7O24H2O) dengan metode sonokimia. Prekusor yang telah dicampur akuades dan asam nitrat diaduk menggunakan pengaduk magnet kemudian disonikasi menggunakan ultrasonikator yang bertujuan untuk memecah partikel MoO3 dengan gelombang ultrasonik. Bubuk nanopartikel yang diperoleh kemudian dikarakterisasi menggunakan SEM dan XRD. Hasil karakterisasi SEM ditunjukkan oleh Gambar 9, partikel MoO3 berbentuk nanotube yang berdiameter rata-rata 150 nm. Sedangkan hasil karakterisasi XRD bubuk MoO3 ditunjukkan Gambar 10, puncak-puncak yang terdeteksi telah disesuaikan dengan puncak-puncak MoO3 pada JCPDSInternational Center for Difraction Data (ICDD) nomor 21-0569 (Lampiran 2). Puncak-puncak MoO3 muncul pada bidang orientasi (110), (200), (210), (300), (220), (310), (224), (320), (410), (404), (008), (500), (420), (218), (334), (424), (430), (610), (524), (700), dan (419).
11
10
20
40
50
60
610 524 700 419
220 30
224 320 410 404 500008 420 218 334 424 430
310
300
210
700 600 500 400 300 200 100 0
110 200
Intensitas
Gambar 9 Citra SEM MoO3 perbesaran 5000 kali
70
80
2theta
Gambar 10 Pola Xray Diffraction (XRD) nanopartikel MoO3 Hasil Deposisi Lapisan TiO2-MoO3 Bubuk nanopartikel MoO3 yang diperoleh kemudian ditambahkan pada nanopartikel TiO2 (Degussa P25 TiO) dengan persentase 1%, 5%, dan 10% terhadap bobot TiO2. Nanopartikel TiO2 merupakan bubuk yang sudah diproduksi dari Institute for Chemical Education dalam bentuk rutile15. Bubuk dicampur kemudian ditambahkan asam asetat (pH 3), digerus menggunakan mortar sampai menjadi koloid, setelah itu ditetesi oleh surfaktan (triton X-100) agar tidak terjadi penggumpalan. Koloid TiO2-MoO3 kemudian di deposisikan di kaca ITO (SnO2) untuk selanjutnya kaca dipanaskan dalam furnace selama 30 menit dalam suhu 450 oC, pemanasan ini bertujuan agar suspensi menempel dengan kuat pada substrat dan tidak meluruh saat direndam dalam larutan dye antosianin, dicuci dalam akuades, dan di masukkan kedalam larutan elektrolit KI (Kalium Iodida).
Gambar 11 sampel A, B, C, dan D setelah direndam dye selama 3 jam
12 Dalam penelitian ini dibuat empat prototipe sel surya yang diuji karakteristik fotoelektrokimianya. Sampel A merupakan deposisi nanopartikel TiO2 tanpa penambahan MoO3 sebagai pembanding untuk sampel yang di tambah nanopartikel MoO3. Sampel B merupakan nanopartikel TiO2 diberi tambahan MoO3 sebanyak 1%, sampel C sebanyak 5%, dan sample D sebanyak 10%. Analisis Karakterisasi X-Ray Diffranction (XRD) Struktur kristal lapisan TiO2-MoO3 diamati melalui analisis difraksi sinar-X (XRD) yang dilakukan di Laboratorium Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan, Bogor. Karakterisasi struktur kristal dilakukan pada rentang sudut 2θ dari 100 sampai 70o. Gambar 12 menunjukkan pola difraksi hasil karakterisasi XRD untuk lapisan TiO2 murni dan TiO2 berdoping MoO3 yang sesuai dengan puncak-
d
c
b
a 2θ Gambar 12 Pola XRD pada (a) sampel A (b) sampel B (c) sampel C (d) sampel D
13 puncak pada JCPDS-International Center for Difraction Data (ICDD) (Lampiran 2). Pada sampel B muncul tiga puncak MoO3, pada sampel C muncul lima puncak, dan pada sampel D muncul 6 puncak, semakin banyak presentase MoO 3, maka semakin banyak puncak-puncak yang muncul. Analisis Scanning Electron Microscope (SEM) Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM) bertujuan untuk mengetahui morfologi struktur lapisan nanopartikel TiO2-MoO3 yang telah dideposisikan pada kaca TCO. Karakterisasi dilakukan di Laboratorium Nanoteknologi Pascapanen Pusat Litbang Pertanian Bogor. Alat SEM yang digunakan adalah ZEISS Evo MA10. Gambar 13 menunjukkan hasil karakterisasi keempat sampel, sampel A merupakan lapisan nanokristal TiO2 murni yang mempunyai diameter rata-rata kurang dari 50 nm dan terlihat seragam. Sedangkan sampel B, C, dan D merupakan sampel yang diberi doping MoO3. Partikel MoO3 mempunyai pori yang lebih besar dan berwarna lebih terang dari partikel TiO2. Sampel B merupakan sampel TiO2 yang diberi doping MoO3 1% mempunyai pori yang lebih sedikit dibandingkan sampel C yang diberi doping MoO3 5%. Sampel D didoping MoO3 10% mempunyai pori berwarna terang lebih banyak dibanding sampel lainnya. Pori yang terbentuk pada sampel C mempunyai diameter yang lebih besar, volume pori yang terbentuk dapat menyediakan ruang untuk ditempati dye, sehingga berpengaruh terhadap penangkapan elektron yang dapat meningkatkan efisiensi sel surya.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 13 Karakterisasi SEM lapisan (a) sampel A, (b) sampel B, (c) sampel C, (d) sampel D pada perbesaran 50.000 kali
14
absorbansi
2.5 2 1.5 1 0.5 0 300
400
500
600
700
800
panjang gelombang (nm)
Gambar 13 Spektrum serapan dye antosianin buah senduduk Spektrum Serapan Dye Antosianin Dye antosianin diekstraks dari buah senduduk (Melastoma Malabathricum L.) kemudian dilakukan karakterisasi absorbans di Laboratorium Spektroskopi Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Karakterisasi absorbans dye antosianin menggunakan alat spektrofotometer UV-Vis, diukur pada panjang gelombang 350-800 nm. Karakterisasi ini bertujuan untuk mengetahui spektrum panjang gelombang serapan dye antosianin dari buah senduduk. Gambar 13 Menunjukkan daerah serapan dye antosinin buah senduduk, hasil karakterisasi absorbans menunjukkan dua puncak yang berbeda. Puncak pertama berada pada kisaran panjang gelombang 429 nm sampai 436 nm dengan puncak 1.55. Sedangkan puncak kedua berada dikisaran panjang gelombang 557 sampai 559 nm dengan puncak 1.932, nilai absorbansi sebesar 1.932 menunjukkan bahwa sebesar 1.17 % cahaya dilewatkan oleh sampel dan sisanya diserap (lampiran 4). Puncak serapan mempunyai panjang gelombang yang berbeda dengan puncak panjang gelombang serapan jenis antosianin yang umum ditemukan seperti yang terdapat pada Tabel 1.10 Dye antosianin memiliki daerah serapan maksimum pada kisaran gelombang cahaya warna ungu dan hijau, serta memiliki luas spektral serapan yang cukup lebar. Panjang daerah serapan dapat mempengaruhi nilai efisiensi konversi sel surya. Semakin lebar spekral absorbansinya, maka semakin banyak foton yang diserap dan akan dikonversi menjadi muatan. Karakterisasi Arus-Tegangan (I-V) Sel Fotoelektrokimia Pengujian karakterisasi prototipe sel surya TiO2-MoO3 dilakukan di Laboratorium Fisika Material Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Sampel A, B, C, dan D diuji menggunakan larutan elektrolit KI dengan konsentrasi 0.5 M. Sumber cahaya yang digunakan pada penelitian ini berasal dari cahaya matahari. Pengujian dilakukan pada pukul 12.00 sampai pukul 15.00 siang saat cuaca yang cerah, pada saat itu radiasi matahari dalam keadaan maksimum. Intensitas cahaya matahari diukur langsung menggunakan fotometer Solar Light Co PMA2200. Luas penampang prototipe sel surya sebesar 1.5 x 1.5 cm2. Prototipe sel surya dikaitkan pada kabel negatif voltmeter sesuai dengan karakteristik semikonduktor lapisan
15 13 arus (µA)
arus (µA)
11 9 7 5
y = -4E-05x2 - 0.0025x + 12.586
3 60
160
260
360
9 8 7 6 5 4 3 2 1
460
y = -0.0001x2 + 0.002x + 8.5605 60
110
Tegangan (mV)
210
260
Tegangan (mV)
(a)
(b) 13.5 11.5 9.5 7.5 5.5 3.5 1.5
Arus (µA)
Arus (µA)
65 55 45 35 25 15 5
160
y = -0.0007x2 - 0.1071x + 65.137 5
55
105
155
Tegangan (mV)
(c)
205
y = -0.0003x2 + 0.0662x + 8.532 90
190
290
390
Tegangan (mV)
(d)
Gambar 15 Kurva I-V sel fotoelektrokimia (a) sampel A (b) sampel B (c) sampel C (d) sampel D TiO2-MoO3, yaitu semikonduktor n-type. Sedangkan elektroda counter yang terbuat dari platina dikaitkan pada kabel positif dari voltmeter. Gambar 15 menunjukkan karakteristik arus-tegangan pada prototipe sel surya. Hubungan arus dan tegangan berbanding terbalik secara eksponensial. Tegangan tertinggi dicapai pada saat tegangan open sircuit (Voc) dan hambatan dalam kondis maksimum, sedangkan arus tertinggi dicapai pada saat arus sikuit singkat (Isc) dan hambatan dalam kondisi minimum. Karakteristik sel suya fotoelektrokimia yang terdiri dari; arus short sircuit (Isc), tegangan open sircuit (Voc), arus maksimum, tegangan maksimum, daya keluaran maksimum, fill factor, dan efisiensi konversi dapat diperoleh dari grafik hubungan arus-tegangan yang diamati. Daya maksimum dapat diperoleh dari luas maksimum kurva, yaitu hasil perkalian antara arus maksimum dan tegangan maksimum. Gambar 16 menunjukkan kurva hubungan antara tegangan dan daya berdasarkan persamaan kurva I-V sel fotoelektrokimia. Arus maksimum dan tegangan maksimum akan menghasilkan daya yang maksimum. Fill factor merupakan faktor pengisian yang menunjukkan ukuran kualitas sel surya, hasil perbandingan antara daya keluaran maksimum dan daya output pada saat tegangan rangkaian terbuka dan arus hubungan pendek. Efisiensi konversi sel surya menunjukkan besarnya energi foton yang dikonversi secara langsung menjadi energi energi listrik ketika sel surya di sinari oleh cahaya matahari.
16 3.E-06 Daya (W)
Daya (W)
3.E-06 2.E-06 2.E-06 1.E-06 5.E-07 0.15
0.25
0.35
0.45
0.05
0.15
0.25
Tegangan (V)
Tegangan (V)
(a)
(b)
6.E-06 5.E-06 4.E-06 3.E-06 2.E-06 1.E-06 0.E+00
0.35
3.E-06 2.E-06 Daya (W)
Daya (W)
0.05
1.E-06 1.E-06 9.E-07 8.E-07 7.E-07 6.E-07 5.E-07
2.E-06 1.E-06 5.E-07 0.E+00
0
0.1
0.2
Tegangan (V)
(c)
0.3
0.05
0.15
0.25
0.35
Tegangan (V)
(d)
Gambar 16 Kurva hubungan tegangan dan daya keluaran Sebelum dilakukan pengujian karakteristik I-V sel fotoelektrokimia, keempat sampel direndam alam larutan dye antosianin selama tiga jam, lama perendaman ini cukup ideal karena jika sampel direndam terlalu lama lapisan TiO2-MoO3 bisa meluruh. Prototipe sel surya disinari dengan intensitas matahari yang berbeda, sampel A dan C diuji saat intensitas matahari sebsar 100 W/m2, sampel B disinari saat intensitas matahari sebesar 80 W/m2 dan sampel D disinari saat intensitas 82 W/m2. Tabel 2 menunjukkan parameter-parameter sel surya, nilai efisiensi terbesar terdapat di sampel C dan nilai fill factor terbesar diperoleh sampel D sebesar 0.50. Sampel A merupakan sel surya dengan semikonduktor TiO2 murni mempunyai efisiensi sebesar 0.011% lebih besar dibanding sampel B yang mempunyai efisiensi 0.004%. Efisiensi terbesar diperoleh sampel C sebesar 0.023% kemudian efisiensi konversi sampel D 0.008% mengalami penurunan dibanding sampel C. Hal ini sesuai teori, penambahan doping MoO3 dapat mempengaruhi bandgap TiO2. Elektron akan tereksitasi dari pita valensi TiO2 ke pita konduksi MoO3 yang mempunyai jarak lebih pendek dibandingkan pita konduksi TiO2 (Gambar 7). Akan tetapi konsentrasi MoO3 yang banyak dapat mempengaruhi proses eksitasi elektron karena pasangan elektron-hole MoO3 dapat mendominasi pada lapisan semikonduktor. Secara keseluruhan, efisiensi konversi dari keempat sampel masih rendah. Arus yang keluar masih kecil berorde mikroampere, dapat disebabkan karena aliran elektron pada rangkaian kurang maksimal saat sel surya disinari. Selain itu, dapat disebabkan karena pendeposisian nanokristal TiO2-MoO3 pada kaca substrat dan pembuatan dye antosianin yang belum baik sehingga belum bisa menangkap foton secara maksimal. Selain nilai efisiensi konversi yang masih rendah, kurva karakteristik I-V keempat sampel masih terlihat landai bila dibandingkan dengan
17 Tabel 2 Karakteristik I-V sel fotoelektrokimia keempat sampel Karakteristik I-V Imax (µA) Vmax(mV) Pmax (W) Isc (µA) Voc (mV) Fill Factor efisiensi (%)
Sampel A 7.4 304 2.5 x 10-6 12.0 423 0.49 0.011
Sampel B 5.8 176 1.0 x 10-6 8.10 255 0.49 0.004
Sampel C 38.7 132 5.1 x 10-6 62.40 229 0.36 0.023
Sampel D 10.0 196 1.9 x 10-6 12.20 315 0.50 0.008
kurva karakteristik sel surya ideal yang berbentuk segiempat. Kurva karakteristik sampel A, B, C, dan D mempunyai nilai fill factor yang kecil dipengaruhi oleh resistansi sel surya yang cukup besar.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Sel surya fotoelektrokimia berbasis komposit nanopartikel TiO2-MoO3 sebagai fotoanoda dan dye antosianin sebagai fotosensitizer telah berhasil difabrikasi. Lapisan nanopartikel TiO2 yang di doping MoO3 ditumbuhkan disubstrat kaca TCO dengan metode blade casting. Morfologi pada lapisan TiO2 berdoping MoO3 lebih berpori dibandingkan dengan TiO2 murni. Dye antosianin diekstrak dari buah senduduk, hasil karakterisasi UV-VIS menunjukkan daerah absorbansi yang lebar. Untuk meningkatkan performa sel surya, lapisan TiO2MoO3 direndam dalam larutan dye selama tiga jam. Berdasarkan hasil uji karakteristik fotoelektrokimia, efisiensi sel surya lapisan TiO2 berdoping MoO3 meningkat seiring meningkatnya presentase MoO3 dan akan menurun lagi jika presentase MoO3 diperbanyak. Saran Penelitian mengenai sel surya fotoelektrokimia berbasis komposit nanopartikel TiO2-MoO3 dapat terus dikembangankan dengan metode pembuatan dan penggunaan berbagai jenis dye yang lain sehingga menghasilkan performa sel surya yang lebih baik. Untuk pengujian morfologi lapisan TiO2-MoO3 lebih baik menggunakan SEM-EDX (Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive XRay) untuk mengetahui kompodsisi material penyusun pada kaca substrat.
18
DAFTAR PUSTAKA 1. Zahrok ZL, Prajitno G. Ektraks buah murbei (morus) sebagai sensitizer alami dye-sensitized solar cell (dssc). Jurnal Sains dan Seni ITS. 2015. 4 (1) : 26-31. 2. Sutrisno. 2012. Teknologi sel surya. Menyongsong Industri Sel Surya di Indonesia.[terhubung berkala] http://www.len.co.id/len_web/artikel_detail/?lA%3D%3D (05 Oktober 2015). 3. Dukstiene N, Sinkeviciute D. Photoelectrichemical properties of MoO2 thin film. Jurnal Solid State Electrochem. 2013. 17 : 1174-1184. 4. Elder S.h et al. The discovery and study of nanocrystallin TiO2-(MoO3) core shell material. American Chemical Society. 2000. 122 (21) : 5138-5146. 5. Sivaranjani V, Deepa P, Philominathan P. Thin films of TiO2-MoO3 binary oxides obtained by an economically viable and simplified spray pyrolysis technique for gas sensing application. International Journal of Thin Films Science and Technology. 2015. 4 (2) : 125-131. 6. Natori H, Kobayashi K, Takahashi M. Fabrication and Photocatalytic activity of TiO2/MoO3 particulate films. Journal of Oleo Scienc. 2009. 58 (4) : 203-211. 7. Manivel A, Lee GJ, Chen CY , Chen JH , Ma SH, Horng TL, Wu JJ. Synthesis of MoO3 nanoparticles for azo dye degradation by catalytic ozonation. Material Research Bulleti. 2015. 62: 184-191. 8. Chibane L, Belkaid MS, Pasquinelli M, Habak HB, Simon JJ, D Hocine. Development of molybdenum trioxide (MoO3) by spin coating methode for photovoltaic aplication. Journal of Materials Science and Engineering. 2013. B 3 (7) : 418-422. 9. Xiang D, Han C, Zhang J, Chen W. Gap state assisted MoO3 nanobelt photodetector with wide spectrum response. Scientific Report. 2014. 4 : 4891. 10. Maddu A, Zuhri M, Irmansyah. Penggunaan ekstrak antosianin kol merah sebagai fotosensitizer pada sel surya TiO2 nanokristal tersensitisasi dye. Makara Teknologi. 2007. 11 (2) : 78-84. 11. Alhamed M, Issa AS, Doubal AW. Studying of natural dyes properties as photo-sensitizer for dye sensitized solar cells (DSSC). Journal of Electron Devices. 2012. (16) : 1370-1383 12. Herdianto N. 2002. Pembuatan dan Karaktrisasi Sifat-Sifat Semikonduktor Nanokristal TiO2 [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. 13. Crabtree GW, Lewis NS. Solar energy conversion. American Institute of Physics. 2007. Hal : 37-42. 14. Darmawan MI, Hardani, Darmaja H, Supriyanto A. 2014. Studi fabriksi dye sensitized solar cells (DSSC) mengunakan ekstrak Dracaena angustifolia (Daun Suji). Prosiding Mathematics and Sciences Forum : 57-60. 15. Institut for Chemical Education. 2008. Nanocrystallin Solar Cell Kit Recreating Photosynthesis. Madison (US) : University of WisconsinMadison.
19 16. 17. 18. 19.
20. 21. 22.
Irmansyah, Maddu A, Zuhri M. Pabrikasi dan Karakterisasi Sel Surya Tersensitisasi Dye Berbasis Elektroda Komposit TiO2/SnO2 dan Elektrolit Polimer. Jurnal Ilmu Dasar. 2008. 9 (2) : 96-103. Koay SE. 2008. Establishment of Cell Suspension Culture of Melastoma malabathricum L. For the Production of Anthocyanin [thesis]. Penang (MY) : Universiti Sains Malaysia. Maddu A. 2015. Pedoman Eksperimen Fisika 2. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Yuwono AH, Dhaneswara D, Ferdiansyah A, Rahman A. Sel surya tersensitasi zat pewarna berbasis nanopartikel TiO2 hasil proses sol-gel dan perlakuan pasca hidrotermal. Jurnal Material dan Energi Indonesia. 2011. 01 (03): 127-140. Setiawan B. 2012. Ekstraksi TiO2 Anatase dari Ilmenite Bangka Melalui Senyawa antara Ammonium Perokso Titanat dan Uji Fotoelektroaktivitasnya [skripsi]. Depok (ID) : Universitas Indonesia. Landmann M, Rauls E, Schmidt WG. The electronic structure and opical response of rutile, anatase, and brookit TiO2. J Phys Condens Matter. 2012. 24 (2012): 1-5. Tharanum HMPANS, Begum NS. Synthesis and characterization of nanocrystallin MoO3-TiO2 composite thin films by liquid phase deposition technique for photodegradation studies. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) 2016. Hal : 22-17.
20 Lampiran 1 Diagram alir penelitian Persiapan alat dan bahan
Pembuatan nanopartikel MoO3 dengan teknik sonokimia Karakterisasi XRD dan SEM
Pembuatan suspensi TiO2-MoO3 : nanopartikel TiO2-MoO3 + asam asetat + triton X-100 digiling hingga halus Penempelan suspensi pada kaca TCO kemudian dipanaskan pada suhu 450 oC selama 30 menit Karakterisasi XRD dan SEM
Perendaman dalam larutan dye antosianin
Uji karakteristik I-V Fotoelektrokimia
Sesuai dengan literatur? YA
Analisis Data Selesai
TIDAK
21 Lampiran 2 Literatur analisis XRD JCPDS-ICDD Literatur analisis XRD JCPDS-ICDD untuk TiO2
Literatur analisis XRD JCPDS-ICDD untuk MoO3
22 Literatur analisis XRD JCPDS-ICDD untuk Alumunium
Literatur analisis XRD JCPDS-ICDD untuk TCO (SnO2)
23 Lampiran 3 Data absorbansi dye antosianin buah senduduk Panjang gelombang (nm)
Absorbansi
300.15 300.36 300.57 300.78 300.99 301.2 301.41 301.62 301.83 547.27 547.47 547.66 547.86 548.05 548.25 548.44 548.64 548.84 549.03 549.23 549.42 549.62 549.81 550.01 550.2 550.4 550.59 550.79 550.98 551.18 796.7 796.87 797.05 797.23 797.4 797.58
0.547 0.549 0.551 0.553 0.553 0.554 0.556 0.554 0.555 1.91 1.911 1.912 1.912 1.913 1.914 1.914 1.915 1.916 1.917 1.917 1.918 1.918 1.919 1.919 1.92 1.92 1.921 1.921 1.922 1.922 0.374 0.374 0.373 0.373 0.373 0.373
24 Lampiran 4 &RQWRK3HUKLWXQJDQ nilai absorbansi berdasarkan Hukum Beer-Lambert A = log (Io/I) A : absorbansi Io : irradiansi awal W/m2 I : irrandiansi akhir W/m2 Berdasarkan hasil karakterisasi UV-Vis, diperoleh nilai absorbansi A pada puncak sebesar A = 1.932 maka, A
= log ( )
1.932
= log ( )
( )
= 101.932 = 85.5
Sehingga I = Io atau I = 1.17 % Io Berdasarkan perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa 1.17 % cahaya yang masuk dilewatkan oleh sampel dan sisanya diserap.
25 Lampiran 5 Data arus dan tegangan pada keempat sampel sel surya Sampel A (TiO2 murni) Tegangan (mV) 62 106 120 122 122 146 198 290 423
Sampel B (TiO2 + 1% MoO3 ) arus (µA) 12.0 11.9 11.4 11.7 11.8 11.5 10.8 7.5 3.8
Sampel C (TiO2 + 5% MoO3 ) Tegangan (mV) 6 58 98 132 175 220 227 229
Tegangan (mV) 61.5 139 143 169 176 179 186 190 204 211 217 255
arus (µA) 8.1 7.0 6.7 5.6 5.0 4.9 4.6 4.5 4.0 3.8 3.6 1.5
Sampel D (TiO2 + 10% MoO3 ) Arus (µA) 62.4 59.0 51.9 36.3 20.5 8.5 5.2 5.3
Tegangan (mV) 96 190 211 218 228 239 248 265 271 278 290 315
Arus (µA) 12.2 11.6 10.6 9.7 9.0 8.0 7.4 6.5 6.0 5.5 4.9 1.8
26 Lampiran 6 Data tegangan dan daya berdasarkan kurva I-V sel surya Sampel A (TiO2 murni) Tegangan (V) 0.062 0.106 0.120 0.122 0.122 0.146 0.198 0.290 0.423
Sampel B (TiO2 + 1% MoO3 ) Daya (10-6 Watt) 0.8 1.3 1.4 1.4 1.4 1.7 2.1 2.5 1.8
Sampel C (TiO2 + 5% MoO3) Tegangan (V) 0.132 0.175 0.220 0.227 0.229 0.000 0.000 0.000
Tegangan (V) 0.062 0.139 0.143 0.169 0.176 0.179 0.186 0.190 0.204 0.211 0.217 0.255
daya (10-6 Watt) 0.5 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.9 0.9 0.9 0.6
Sampel D (TiO2 + 10% MoO3 ) Daya (10-6 Watt) 0.4 3.3 4.7 5.1 4.4 1.7 1.1 0.1
Tegangan (V) 0.096 0.190 0.211 0.218 0.228 0.239 0.248 0.265 0.271 0.278 0.290 0.315
Daya (10-6 Watt) 1.2 2.0 1.9 1.9 1.8 1.7 1.6 1.3 1.2 1.0 0.7 -0.1
27 Lampiran 7 Contoh perhitungan karakterisasi I-V sel surya Sampel A
Berdasarkan Kurva I-V sel surya sampel A didapat fungsi arus terhadap tegangan, I = -4x10-5 V2 - 0.0025 V + 12.586
Fungsi daya outut P = I.V P = -4x10-5 V3 - 0.0025 V2 + 12.586 V
Berdasarkan Kurva V dan P d iperoleh Pmax = 2.5x10-6 Watt Daya output maksimum diperoleh ketika = -12x10-5 V2 - 0.005 V + 12.586 Dengan menggunakan rumus persamaan kuadrat maka diperoleh Vmax = 304 mV Imax = -4x10-5 (304)2 - . 25 ( 3 4) + 2.586 7.4 μA
Intensitas cahaya matahari yang masuk 100 W/m2 Pin
Fill Factor FF
= Iin . A = 100 (2.25x10-4) = 2.25x 10-2 Watt
=
Efisiensi sampel sel surya Efisiensi
=
28
RIWAYAT HIDUP Penulis bernama lengkap Astuti Alawiyah lahir di Sukabumi pada tanggal 24 November 1993. Penulis merupakan anak ketiga dari pasangan Bapak Ach. Suherman dan Ibu Aan. Penulis mengikuti pendidikan formal di RA Hidayatul Kamal (1999-2000), MI Panyindangan (2000-2006), dan MTs Muslimin Al-Barokah (2006-2009) yang berada di bawah naungan Yayasan Muslimin Al-Barokah Panyindangan, Desa Padabeunghar, Kecamatan Jampangtengah Sukabumi. Selanjutnya penulis menempuh pendidikan menengah atas di SMAN 1 Cikembar, Sukabumi dan lulus pada tahun 2012. Pada tahun yang sama, penulis diterima di Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur SNMPTN Undangan dan mendapatkan Beasiswa Bidikmisi. Semasa kuliah di IPB, penulis aktif di LDK Alhurriyyah (2012-2015), Himpunan Mahasiswa Fisika (2015), selain itu penulis juga aktif sebagai staff pengajar di Bimbel Adi Indonesia Manajemen Bogor, Asisten Praktikum Fisika PPKU IPB (2013-2016) dan Eksperimen Fisika 1 Departemen Fisika IPB (2016). Penulis dapat dihubungi di email
[email protected].
