SEMINAR TUGAS AKHIR 2014
19 Mei 2014
Kebutuhan energi dunia 10 terra watt, diperkirakan tahun 2030 mencapai 30 terra watt. Harganya mahal, pembuatan sulit dan bahan baku dialam terbatas
1991 Dye Sensitized Solar Cell oleh Grätzel dan O’Regan
Energi matahari yang sampai ke permukaan bumi mencapai 2,6 x 1024 Joule/tahun Ruthenium complex η= 11,1 %
Murah dan ramah lingkungan
Harga mahal, sintesis sulit dan tidak ramah lingkungan
Titanium dioksida TiO2 Total Panen Manggis 79.073 ton/tahun
Anatase 3,2 eV Pewarna
Kulit Manggis Anatase
atau
Anatase
η < ηdicampur (+) Rhoeo spathacea
Rutile
Rutile
Tugas Akhir
Rutile 3 eV
Brookite Sulit didapatkan
Fraksi Volume (A:R)
η (%)
100% : 0%
0,015
75% : 25%
0,037
50% : 50%
0,010
25% : 75%
0,014
0% : 100%
0,011
100% : 0%
0,012
75% : 25%
0,013
50% : 50%
0,001
25% : 75%
0,002
0% : 100%
0,005
OPTIMALISASI FRAKSI VOLUME TiO2 ANATASE DAN RUTIL TERHADAP EFISIENSI DSSC (DYE SENSITIZED SOLAR CELL) Oleh : Bibit Lestari (2410100058)
Dosen Pembimbing : 1. Dr. Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T. 2. Dyah Sawitri, S.T., M.T.
Permasalahan
Permasalahan pada penelitian tugas akhir ini adalah pada fraksi volume TiO2 anatase dan rutil berapa yang optimal agar dihasilkan efisiensi DSSC maksimal ?
PERMASALAHAN & TUJUAN
Tujuan
Tujuan dilakukan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh fraksi volume TiO2 anatase dan rutile terhadap efisiensi yang dihasilkan DSSC
BATASAN MASALAH
Pelapisan TiO2 pada kaca TCO menggunakan metode doctor blade. TiO2 yang digunakan mempunyai variasi fraksi volume anatase : rutile yaitu 65%:35%, 70%:30%, 80%:20%, 85%:15%, 90%:10% dan 95%:5%. Pemilihan fraksi ini berdasarkan pada hasil yang telah diperoleh pada penelitian sebelumnya (Agustini, 2013). Kulit manggis dan Rhoeo spathacea diekstrak menggunakan metode soklet
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Anode : D + hv → D * D * + TiO2 → D + + ecb− (TiO2 )
2 D + + 3I − → 2 D + I 3−
Katode : I 3− + 2e − (katalis ) → 3I −
HOMO : Highest Occupied Molecular Orbital LUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbital
D : pewarna D* : pewarna tereksitasi + D : pewarna yang sudah melepaskan elektron I- : iodide I3- : triiodide
PERFORMANSI DSSC VMPP . I MPP FF = VOC I SC
PMAX = VOC .I SC .FF PMAX η= PCahaya 1240 × J SC IPCE [%] = λ × Pcahaya JSC = kerapatan arus (µA cm-2) λ = panjang gelombang (nm) Pcahaya = daya (µW cm-2).
ISC diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai nol (arus maksimal). VOC diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai maksimal (tegangan maksimal).
METODOLOGI PENELITIAN
Mulai Persiapan alat dan bahan Sintesis Titanium dioksida
Exstrak Pewarna Tidak
A Tidak
Uji UV-Vis
Uji XRD
Perakitan DSSC dengan penambahan elektrolit dan elektrooda lawan
Ya Uji BET
Pelapisan Titanium dioksida pada kaca TCO
Ya UJI AFM Perendaman kaca TCO berlapis Titanium dioksida dalam pewarna
A
Pengujian DSSC dengan IPCE
Pengujian dan pembahasan performasi DSSC setiap sampel
Kesimpulan
Selesai
EXSTRAKSI PEWARNA DAN KARAKTERISASI Alat dan bahan
Soklet Blender Magnetic stirrer Gelas beker Timbangan Gelas ukur Hot plate Ethanol 96% Bubuk Manggis Bubuk daun Rhoeo spatachea
Kulit manggis dan daun Rhoeo spatachea dikeringkan dan dihancurkan sampai menjadi bubuk
Diekstrak menggunakan soklet pada suhu 200 oC selama 5 jam, dengan perbandingan bubuk pewarna :pelarut sebesar 1:5
Pengujin UV-vis untuk melihat absorbansin panjang gelombang
SINTESIS DAN KARAKTERISASI TiO2 Alat10dan Bahan ml TiCl 3 + 4,7
Pengujian XRD untuk mengetahui fase yang terbentuk dan ukuran partikel
Aquades + stirrer 0,3 HCl Magnetic oC diaduk pada suhu 45 Timbangan Gelas beker Gelas ukur Endapan dikalsinasi pada suhu Crucible oC selama 5 jam untuk fase 400 Spatula Ditambah 20 ml HCl anatase dan1000 oC selama 7 Hot plate jam untuk fase rutile Mortar TiCl3 (15% wt, Merck) 50 ml NH Ditambah Hidrochloric Acid 4OHfuming (HCL) 37% Endapan dicuci secara terus-menerus menggunakan aquades Ammonia solution (NH4OH) 25% sampai bewarna putih samapi bau amonianya (menghasilkan Aquades endapan) hilang
ABSORBANSI PEWARNA Rhoeo spatachea Manggis
423 nm
3,0
392,5 nm 2,5
Absorbansi
2,0
1,5
658 nm 1,0
0,5
0,0 400
450
500
550
600
650
700
Panjang Gelombang, λ (nm)
Absorbsi kulit manggis berada pada range 400 – 500 nm Absorpsi Rhoeo spathacea berada pada range 410 – 420 nm dan 660 – 670 nm
ABSORBANSI PEWARNA CAMPURAN 90% Rhoeo 80% Rhoeo 70% Rhoeo 60% Rhoeo 50% Rhoeo 40% Rhoeo 30% Rhoeo 20% Rhoeo 10% Rhoeo
3,0
2,5
Absorbansi
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0 400
450
500
550
600
Panjang Gelombang (nm)
650
700
HASIL XRD TiO2 Anatase Rutile 1400
R
R
Persamaan Scherrer
1200
0,89λ D= cos(θ )* FWHM
Intensitas
1000
A
800
R
600 400
A
200
R
R
R
A
A
R
30
40
R
2θ (ο)
50
Ukuran partikel
Anatase
30 nm
Rutile
44,9 nm
R
0 20
Fase
60
R
Volume @ STP (cc)
ADSORPSI DAN DESORPSI SERBUK TiO2 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4
n S= ρ D AV
Adsorpsi 90% Anatase, 10% Rutile Desorpsi 90% Anatase, 10% Rutile
R = ρ (1 − P) S 0,0
10
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Adsorpsi 70 % Anatase, 30% Rutile Desorpsi 70 % Anatase, 30% Rutile
8 6 4 2 0 -2 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Tekanan Relatif, p/po
0,7
0,8
0,9
1,0
Vp P= ( ρ −1 + Vp ) S = Luas permukaan partikel (m2/g), n = Partikel faktor (n=6), ρ = massa jenis TiO2 (4,23 g/cm3) Dav = ukuran partikel rata-rata R = Ruoghness factor P = porositas Vp = Volume pori (cm3/g) ρ-1 = Invers dari massa jenis TiO2 (0,2364 cm3/g)
KARAKTERISASI SERBUK TiO2 PADA SETIAP FRAKSI VOLUME Fraksi Volume (A:R))
Luas Permukaan (m2/g)
Volume Pori (cc/g)
Diameter Pori (nm)
Ukuran Partikel BET (nm)
100%:0%* 90%:10% 75%:25%** 70%:30% 50%:50%** 25%:75%** 0%:100%*
113,020 155,654 70,690 126,573 36,330 35,380 93,940
0,28 0,27 0,19 0,22 0,12 0,11 0,14
3,38 5,59 9,74 5,62 9,51 3,84 3,04
12,55 9,11 20,05 11,2 39,02 40,09 15,09
POROSITAS DAN ROUGHNESS FACTOR DARI SERBUK TIO2 PADA SETIAP FRAKSI VOLUME Fraksi Volume Porositas Roughness (Anatase: Rutile) (%) factor per µm 100%:0%* 54 219 90%:10% 53 310 75%:25%** 45 163 70%:30% 48 280 50%:50%** 34 102 25%:75%** 32 101 0%:100%* 37 250
TOPOGRAFI PERMUKAAN TIO2
Topografi 90% A: 10% R
Topografi 70% A: 30% R
IPCE PEWARNA KULIT MANGGIS 0,0035 65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
0,0025
0,0030 0,0020
% IPCE
0,0025 % IPCE
0,0015
0,0020
0,0010
0,0005
0,0015
0,0000 400
0,0010
420
440
460
480
500
Panjang Gelombang, λ (nm)
0,0005 0,0000 400
450
500
550
600
650
700
Panjang Gelombang (nm)
Semakin besar nilai IPCE, semakin besar foton yang diubah menjadi arus IPCE pewarna kulit manggis adalah 0,00207 %
IPCE PEWARNA RHOEO SPATACHEA 0,005
0,0030
65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
0,0025
0,004 % IPCE
% IPCE
0,0020
0,003
0,0015
0,0010
0,002
0,0005
0,0000 400
420
0,001
440
460
480
500
Panjang Gelombang, λ (nm)
0,000 400
450
500
550
600
Panjang Gelombang (nm)
IPCE Rhoeo spatachea sebesar 0,00323%.
650
700
KURVA I-V PEWARNA KULIT MANGGIS 65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
25
20
Arus (mA)
η= 0,033% 15
η= 0,03%
η= 0,076%
η= 0,024%
10
η= 0,035% 5
η= 0,017%
0 0
100
200
Tegangan (mV)
300
400
KURVA I-V PEWARNA RHOEO SPATACHEA 16
65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
14 12
η=0,063%
Arus (mA)
10
η=0,035%
8
η=0,027%
η=0,035%
6
η=0,01%
4
η=0,009%
2 0
0
100
200
Tegangan (mV)
300
400
PENGUJIAN EFISIENSI Pewarna
Kulit Manggis
Rhoeo spatachea
Fraksi FF Volume (A:R) (%) 75%:25%* 19 95%:5% 36 90%:10% 32 85%:15% 32 80%:20% 22 70%:30% 30 65%:35% 31 75%:25%* 39 95%:5% 30 90%:10% 40 85%:15% 33 80%:20% 70%:30% 65%:35%
30 32 37
Jsc Voc (mV) 2 (mA/cm ) 0,08 358 0,054 271 0,104 347 0,06 252 0,03 400 0,038 314 0,064 227 0,019 294 0,056 206 0,057 415 0,054 228 0,028 0,043 0,021
185 286 179
η (%) 0,037 0,035 0,076 0,033 0,017 0,024 0,03 0,013 0,035 0,063 0,035 0,01 0,027 0,009
PERBANDINGAN DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA 0,08
Kulit manggis Rhoeo spatachea ** (Rata-rata dari Agustini, 2013 dan eksperimen) * (Agustini, 2013)
Efisiensi (%)
0,06 0,05
*
0,04 0,03
**
0,02
*
0,01
*
*
160 140
Luas Permukaan (m2/g)
0,07
120 100 80 60 40 20
0,00 0%
5%
10% 15% 20% 25% 30% 35% 50% 25% 100%
% Rutile
0 0
10
20
30
40
50
60
% Rutile
70
80
90
100
PERBANDINGAN PEWARNA TUNGGAL DENGAN PEWARNA CAMPURAN Pewarna
Kulit manggis
FF Jsc (mA/cm2) Voc (mV) η%
32 0,104 347 0,076
Campuran kulit Rhoeo manggis dan spatachea Rhoeo spatachea 26 40 0,122 0,057 413 415 0,088 0,063
KESIMPULAN • Fraksi volume anatase/rutile yang paling baik digunakan sebagai dye sensitized solar cell (DSSC) adalah 90%:10% dengan efisiensi sebesar 0,076% untuk pewarna kulit manggis dan 0,063% untuk pewarna Rhoeo spatachea. • Penambahan rutile yang optimal untuk digunakan sebagai DSSC adalah 5%-15%. • Efisiensi DSSC dengan pewarna kulit manggis lebih tinggi dibandingakan DSSC dengan pewarna Rhoeo spatachea • DSSC dengan menggunakan pewarna campuran kulit manggis dan Rhoeo spatachea (20%:80%) menghasilkan efisiensi yang lebih baik yaitu sebesar 0,088% dibandingkan hanya menggunakan pewarna kulit manggis atau Rhoeo spatachea saja.
Daftar Pustaka Agustini, S., 2013.“ Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell Berdasarkan Fraksi Volume TiO2 Anatase-Rutile Dengan Garcinia mangostana Dan Rhoeo spatachea sebagai Dye Fotozensitizer”. Tugas Akhir, ITS Castro, A.L., Nunes, M.R., Carvalho, A.P., Costa, F.M., Florencio, M. H., 2008. “Synthesis of Anatase TiO2 Nanoparticles With High Temperature Stability And Photocatalytic Activity”. Solid State Sciences vol. 10, hal. 602 – 606 Chang, H. dan Lo, Y.J., 2010. “Pomegranate Leaves And Mulberry Fruit as Natural Sensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Solar Energy vol. 84, hal. 1833 – 1847 Chiba, Y., Islam, A., Watanabe, Y., Komiya, R., Koide, N., dan Han, L.Y., 2006. “Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%”. Jpn. J. Appl. Phys. 45, L638–L640 Grätzel, M., 2003.” Dye-sensitized solar cells”. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, vol 4, hal 145–153
SEKIAN & TERIMAKASIH
SKEMA PENGUKURAN IPCE •Monokromator (CT-10T, JASCO) •Lampu halogen (GR-150) •Optical Power Meter (Thorlab S-120C). monokromator
halogen 1
4 cm
rangkaian ekuivalen
1 cm
DSSC
multimeter
UV-Vis Spektrophotometer Blanko untuk mengoreksi adanya sinar yang dipantulkan oleh kuvet dan sinar yang diserap oleh substituen lain.
A = ε .a.b
A = Absorbansi ε = Absortivitas (1/ M Cm). Absortivitas merupakan absorban larutan 1 M dalam sel cuvet yang lebarnya1 cm a = Ketebalan larutan (cm) b = Konsentrasi Larutan (M
Monokromator Detektor Lensa Sampel Cuvet Lampu
2
PENGUJIAN AFM Laser Detektor
Cantilever Tip
Saat ada permukaan yang tidak rata, sudut tip dan catilever akan berubah
3
Permukaan sampel
Akibat adanya perubahan sudut, maka pantulan laser yang diterima detektor juga akan berubah
Berkas laser dicitrakan menjadi topografi
PENGUJIAN BET Sebelum sampel dimasukkan ke dalam mantel pemanas, tabung sel dikondisikan dalam kedaan vakum
Selanjutnya, gas N2 dialirkan sebagai adsorbat pada sampel uji.
4
Dari banyaknya N2 yang diadsorb pada permukaan sampel inilah yang nantinya dianalisa dan menghasilkan data luas permukaan, ukuran, volume dan distribusi ukuran pori yang ingin diketahui.
PENGUJIAN XRD
Pemanasan kawat tungsten menghasilkan elektron
5
Elektron ditembakkan pada logam target
Dihasilkan sinar-X
Sinar-X dijatuhkan pada sampe kristal, kemudian terjai difraksi
Hasil difraksi sinar-X ditangkap detektor dan diolah menjadi grafik
Fabrikasi DSSC TCO
0,5 cm
Selotip
0,5 cm
Pasta TiO2
Spatula
6
Cara menghitung Efisiensi Tegangan 228,4 207 204 189 173 132 105 71 31 0
Arus 0 5 5,7 6,8 7,2 8,5 9,2 9,7 11,9 13,6
Daya 0 1035 1162,8 1285,2 1245,6 1122 966 688,7 368,9 0
Voc = 228,4 mV Vmpp = 189
Isc = 13,6 Impp = 6,8
Vmpp. Im pp FF = Voc.Isc 189.6,8 FF = = 0,42 228,4.13,6
PMAX = VOC .I SC .FF
PMAX = 228,4.13,6.0,42 = 1304,62.10 − 9
PMAX η= PCahaya
1,30462.10^ −6 η= = 0,0343% 0,00375
7
Masssa ke Jumlah Atom Massa Mol = Mr / Ar
Atom Mol = Avogadro
Massa Atom = Mr / Ar Avogadro 8
Bilangan avogadro = 6,023 1023
ANATASE & RUTILE
9
Bentuk Kristal a(Å) b(Å) c(Å) Massa jenis (g/cm3)
Rutile Tetragonal 4.5845 2.9533
Anatase Tetragonal 3.7842 9.5146
Brookite Orthorombic 9.184 5.447 5.145
4.2743
3.895
4.123
TETRAGONAL & ORTHORHOMBIC
10
Sel Surya Silikon 11 Ketika junction disinari, photon (energi sama atau lebih besar dari lebar pita energi semikonduktor) menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi.
Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole.
Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari arean akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir.
FTIR
4000
1380,76 1382,22
1647,60 1647,48
2891,87
2973,90
3500
2975,74 2898,57
40 20
12
3334,52
60
3343,29
Transmitansi (%)
80
3000 2500 2000 1500 Bilangan gelombang (cm-1)
1086,27 1043,49 1085,92 1326,70 1043,79 878,02 878,67 577,58
Manggis Rhoeo spathacea
100
1000
500
Antosianin memiliki spektrum absorpsi rentang 3200-3400 cm-1
Anthosianin
13
R1 H OH OH OH H OH OH H
Senyawa Penganti R2 R3 R4 R5 R6 OH H OH H OH OH OH OH H OH OH H OH OH OH OH H OH OH OH OH H OH OH OH OH H OH H OH H OH OH H OH OH H OH OH OH
R7 H H H OH H H H OH
Nama Apigeninidin Aurantinidin Cyanidin Delphinidin Luteolin Pelargonidin Riccionidin A Tricetinidin
14
HOMO & LUMO ni=0 orbital kosong. ni=1 sebagai orbital molekul terisi tunggal atau Single Occupied Molecular Orbital (SOMO). ni=2 sebagai orbital terisi penuh. Pada orbital yang terisi penuh, orbital molekul tertinggi yang terisi disebut sebagai Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) dan orbital molekul terendah yang tidak terisi disebut sebagai Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO)
Hambatan Seri
15
Hambatan Seri
Rh = Hambatan TCO R1 = Interface antara elektrolit/Pt-TCO R3= Nernst difusi dengan elektrolit
* Rh
16
Hambatan Seri
*R1 R dengan Pt = 20,6 Ω R tanpa Pt = 1806 Ω
17
*R3
18
Hambatan Seri
Pita Diagram Campuran Anatase & Rutile Rutile
Anatase
Pita Konduksi
Elektron berpindah dari pita konduksi rutile ke pita konduksi anatase
3 eV 3,20 eV
Rutile digunakan sebagai pengumpul elektron dan menghamburan (scattring) elektron Pita Valensi
19
Porositas
Semakin besar nilai Porositas, semakin besar arus dan tegangan yang dihasilkan (0,41) 20
Semikonduktor
21
JCPDS 21-1272
22
JCPDS 21-1276
23
Diagraam fasa
24
Pengaruh Suhu dan Waktu Terhadap Komposisi 200oC (5jam) Fase Komposisi fase (%)
Fase Komposisi fase (%)
300oC (5jam)
Anatase Rutile Anatase 69.41
30.59
82.60
Rutile
Anatase
Rutile
17.55
94.68
5.32
400 oC (5jam)
1000oC (7jam)
Anatase Rutile
Anatase Rutile
99,75
0,25
0.68
400oC (4jam)
99.32
Ketika dipanaskan pada suhu dibawah 900 oC , fase anatase yang terbentuk dalam jumlah yang banyak
25
Perhitungan 1240 hc × J SC [ µA cm −2 ] IPCE [%] = e × λ[ nm] × Pcahaya [ µW cm − 2 ] Dimana h adalah Konstanta Plank (6,62x10-34 Js), c adalah kecepatan cahaya ( 3x108 m/s) dan e adalah Muatan elektron (1,6 10-19).
6,6210 −34 × 310 8 × J SC [ µA cm −2 ] IPCE [%] = 1,610 −19 × λ[ nm] × Pcahaya [ µW cm − 2 ] 12,410 −7 (eV .m) × 310 8 × J SC [ µA cm −2 ] IPCE [%] = λ[nm] × Pcahaya [ µW cm − 2 ]
1240(eV .nm) × J SC [ µA cm −2 ] IPCE [%] = λ[ nm] × Pcahaya [ µW cm − 2 ]
26
27
ELECTROSPINNING Teknik ini berusaha untuk mendeposisikan TiO2 pada permukaan yang lebih lebar menggunakan alat yang disebut electrospinning. Electrospinning terdiri dari jarum suntik yang mengandung bahan yang akan disimpan dan mounting plate yang menjadi target yang akan dilapisi. Target dan jarum suntik yang terhubung ke sumber tegangan yang akan menciptakan electropotential. Perbedaan antara alat suntik dan mounting plate di kisaran 1000 volt. Ketika cairan di dalam jarum suntik secara perlahan dipompa keluar, solusi akan mendorong dengan kecepatan tinggi menuju target karena adanya medan listrik.
28
COLD SPRAYING Teknik terakhir yang menghasilkan hasil yang paling konsisten adalah variasi dari proses deposisi yang telah digunakan sebelumnya. Teknik ini terdiri dari lukisan permukaan substrat konduktif dengan menggunakan sikat udara. Perangkat cold spraying terdiri dari pistol penyemprotan dengan nozzle yang berfungsi untuk menembakkan TiO2 pada substrat, yang didorong dengan udara terkompresi sehingga jumlah udara yang datang dari nozzle dapat dikontrol sehingga laju aliran dapat stabil. Sebuah faktor penting untuk dipertimbangkan adalah rasio dari pelarut (misalnya 2-propanol) dengan TiO2 . Pelarut yang terdapat dalam larutan akan menguap dalam perjalanan menuju target. Oleh karena itu, jumlah pelarut dalam larutan TiO2 harus lebih banyak dibandingkan dengan teknik Doctor-blade, dalam rangka menghindari gumpalan partikel
29
