STUDI AWAL FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) DENGAN MENGGUNAKAN EKSTRAKSI DAUN BAYAM (AMARANTHUS HYBRIDUS L.) SEBAGAI DYE SENSITIZER DENGAN VARIASI JARAK SUMBER CAHAYA PADA DSSC 1)
Maya Sukma Widya Kumara, 2)Drs. Gontjang Prajitno, M.Si Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012 Abstrak Telah dilakukan studi pendahuluan fabrikasi dan karakterisasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan ekstraksi daun bayam (Amaranthus Hybridus L.) sebagai dye sensitizer. DSSC merupakan sel surya yang dapat mengkonversi energi foton menjadi energi listrik. DSSC dibentuk dengan struktur sandwich dimana terdapat empat bagian antara lain : Kaca ITO (Indium Tin Oxide) sebagai substrat; TiO2 sebagai bahan semikonduktor; Dye alami sebagai donor elektron; Elektrolit sebagai transfer elektron. Penelitian dilakukan dengan mengukur arus dan tegangan terhadap waktu dengan variasi sumber cahaya matahari dan lampu halogen dengan perbedaan jarak ketinggian terhadap sel DSSC. Pengujian menggunakan sumber cahaya matahari lebih besar daripada menggunakan lampu halogen. Tegangan dan arus dari lampu halogen dengan ketinggian 5cm terhadap DSSC lebih besar daripada pada ketinggian 20cm dan 35cm. Hasil ini memperlihatkan bahwa jarak menentukan intensitas lampu halogen yang diterima oleh sel. Semakin tinggi jarak lampu halogen terhadap sel, semakin kecil intensitas, dan semakin kecil nilai arus dan tegangan. Kata kunci : Dye Sensitized Solar Cell (DSSC); sel surya; Amaranthus Hybridus L. I. PENDAHULUAN Energi surya merupakan salah satu energi yang sedang giat dikembangkan saat ini. Salah satu aplikasi energi surya adalah pemanfatannya dalam konversi energi cahaya menjadi listrik yaitu dengan sel surya. Indonesia sebenarnya sangat berpotensi untuk menjadikan sel surya sebagai salah satu sumber energi masa depan, mengingat posisi Indonesia pada garis khatulistiwa yang memungkinkan sinar matahari dapat optimal diterima di hampir seluruh Indonesia sepanjang tahun. Pengembangan solar cell menjadi sebuah tuntutan ketika manusia dihadapkan pada berbagai kerusakan lingkungan akibat penggunaan bahan bakar fosil dan global warming. Perkembangan yang menarik dari teknologi sel surya saat ini salah satunya adalah sel surya yang dikembangkan oleh Gratzel. Sel ini sering juga disebut dengan sel Grätzel atau dye sensitized solar cells (DSSC) atau sel surya berbasis pewarna tersensitisasi (SSPT). DSSC merupakan salah satu kandidat potensial sel surya generasi mendatang, hal ini dikarenakan tidak memerlukan material dengan kemurnian tinggi sehingga biaya proses produksinya yang relatif rendah. Berbeda dengan sel surya konvensional dimana semua proses melibatkan material silikon itu sendiri. Pada dasarnya prinsip kerja DSSC merupakan suatu siklus transfer elektron oleh kompnen-komponen DSSC. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Matahari Energi surya yang sampai ke bumi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut foton. Dalam kaitannya dengan sel surya yaitu perangkat pengkonversi radiasi matahari menjadi listrik, terdapat dua parameter penting dalam energi surya: pertama intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per luas area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari. Parameter penting yang berkaitan dengan sel surya sebagai
perangkat yang mengkonversi radiasi sinar matahari menjadi listrik antara lain intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang mengenai permukaan per luasan dan karakteristik spektrum cahaya matahari. Intensitas radiasi matahari diluar atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1353 W/m2. Setelah disaring oleh atmosfer bumi, beberapa spektrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi sekitar 1000W/m2. Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan
permukaan tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah [1]. 2.2 Sel Surya Sistem photovoltaik yang telah diteliti dan paling terkenal adalah sistem photovoltaik generasi ketiga yang dikembangkan oleh Michael Grätzel pada 1991 dimana sistem ini dinamakan sel surya pewarna tersensitisasi atau DSSC [2,3]. Perkembangan sistem konversi energi surya menjadi energi listrik berlangsung melalui sistem yang disebut sebagai sel photovoltaik. Sel surya merupakan suatu mekanisme yang bekerja berdasarkan efek photovoltaik dimana foton dari radiasi diserap kemudian dikonversi menjadi energi listrik. Efek voltaik sendiri adalah suatu peristiwa terciptanya muatan listrik didalam bahan sebagai akibat penyerapan (absorbsi) cahaya dari bahan tersebut. [4,5]. 2.3 Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dye Sensitized Solar Cell ini pertama kali ditemukan oleh Michael Gratzel dan Brian O’Regan pada tahun 1991 di École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Swiss. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) telah menjadi salah satu topik penelitian yang dilakukan intensif oleh peneliti di seluruh dunia. DSSC merupakan terobosan pertama dalam teknologi sel surya sejak sel surya silikon. Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan [3] Sel surya nanokristal TiO2 tersensitisasi dye dikembangkan sebagai konsep alternatif bagi piranti fotovoltaik konvensional berbasis silikon. Sistem sel surya ini pertama kali dikembangkan oleh Grätzel sehingga disebut juga sel Grätzel. Beberapa keuntungan sistem sel surya ini adalah proses fabrikasinya lebih sederhana tanpa menggunakan peralatan rumit dan mahal sehingga biaya fabrikasinya lebih murah. Efisiensi konversi sistem sel surya tersensitasi dye telah mencapai 10-11%. Namun, sel surya ini memiliki kelemahan yaitu stabilitasnya rendah karena penggunaan elektrolit cair yang mudah mengalami degradasi atau kebocoran [7]. Sel surya TiO2 tersensitasi dye terdiri dari lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, dye sebagai fotosensitizer, elektrolit redoks dan elektroda lawan (katoda) yang diberi lapisan katalis [8]. Struktur sel surya ini berbentuk struktur sandwich, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 tersensitisasi dye
dan elektroda lawan mengapit elektrolit. Berbeda dengan sel surya silikon, pada sel surya tersentisisasi dye, foton diserap oleh dye yang melekat pada permukaan partikel TiO2. Dalam hal ini dye bertindak sebagai donor elektron yang dibangkitkan ketika menyerap cahaya, mirip fungsi klorofil pada proses fotosintesis.
Gambar 2.1 Struktur Dye-sensitized Solar Cell
2.4 Material DSSC Material penyusun Dye Sensitized Solar cell (DSSC) antara lain elektroda kerja yang terdiri dari substrat kaca Indium Tin Oxide (ITO), Titanium Dioxide (TiO2), dye alami dan elektroda pembanding (elektroda karbon) yang terdiri dari substrat dan karbon / grafit, dan elektrolit diantara kedua elektroda (gambar 2.2). Elektroda Kerja
Kaca ITO
TiO2 Dy e I- I3I3- I-
Elektrolit
Karbon
Elektroda Pembanding
Gambar 2.2 Struktur Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
2.4.1
Substrat (Kaca ITO) Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis TCO (Transparant Conductive Oxide) yang merupakan kaca transparan konduktif. Material substrat itu sendiri berfungsi sebagai badan dari sel surya dan lapisan konduktifnya berfungsi sebagai tempat muatan mengalir. Material yang umumnya digunakan yaitu flourine-doped tin oxide (SnF atau FTO) dan Indium Tin Oxide (ITO).
2.4.2
Karakteristik TiO2 TiO2 merupakan bahan semikonduktor yang bersifat inert, stabil terhadap fotokorosi dan korosi oleh bahan kimia. Lapisan TiO2 memiliki bandgap yang tinggi (>3eV) dan memiliki transmisi optik yang baik. Penggunaan TiO2 diantaranya untuk manufaktur elemen optik. Selain itu TiO2 berpotensial pada aplikasi divais elektronik seperti DSSC dan sensor gas [9]. Untuk aplikasinya pada DSSC, TiO2 yang digunakan umunya berfasa anatase karena mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi. TiO2 dengan struktur nanopori yaitu ukuran pori dalam skala nano akan menaikan kinerja sistem karena struktur nanopori mempunyai karakteristik luas permukaan yang tinggi sehingga akan menaikan jumlah dye yang teradsorb yang implikasinya akan menaikan jumlah cahaya yang terabsorb. 2.4.3
Dye Proses fotosintesis pada tumbuhan telah membuktikan adanya senyawa pada tumbuhan yang dapat digunakan sebagai dye. Zat-zat tersebut ditemukan pada daun atau buah, yaitu antosianin, klorofil, dan xantofil. Peneliti telah membuktikan bahwa klorofil dan xantofil dapat tereksitasi dengan adanya penyinaran pada penerapan dyes. Sebagai hasil pengembangannya, peneliti telah mendapatkan efisiensi konversi energi yang lebih baik pada turunan dyes klorofil tersebut karena memiliki gugus carboxylate [10]. Klorofil banyak terdapat pada tumbuhan hijau, salah satunya Amaranthus Hybridus L. atau daun bayam, adalah pigmen pemberi warna hijau pada tumbuhan. Senyawa ini yang berperan dalam proses fotosintesis tumbuhan dengan menyerap dan mengubah tenaga cahaya menjadi tenaga kimia. Klorofil adalah pigmen utama dalam fotosintesis, lebih banyak menyerap cahaya biru dan merah, dimana pigmen asesoris seperti karotenoid dan fikobilin dapat meningkatkan penyerapan spectrum hijaubiru dan kuning. Sifat atraktif pada pigmen fotosintetik diaplikasikan seperti sensitizer pada solar sel [11]. 2.4.4
Elektrolit Elektrolit yang digunakan pada DSSC terdiri dari iodine (I-) dan triiodide (I3-) sebagai pasangan redoks dalam pelarut. Karakteristik ideal dari pasangan redoks untuk elektrolit DSSC yaitu : potensial redoksnya secara termodinamika berlangsung sesuai dengan
potensial redoks dari dye untuk tegangan sel yang maksimal, memiliki kestabilan yang tinggi baik dalam bentuk terreduksi dan teroksidasi dan inert terhadap komponen lain pada DSSC [9]. 2.4.5 Karbon Katalis dibutuhkan untuk merpercepat kinetika reaksi proses reduksi triiodide pada TCO. Platina, material yang umum digunakan sebagai katalis pada berbagai aplikasi, juga sangat efisien dalam aplikasinya pada DSSC. Sebagai alternatif, Kay & Gratzel mengembangkan desain DSSC dengan menggunakan counter-elektroda karbon sebagai lapisan katalis. Karena luas permukaanya yang tinggi, counter-elektroda karbon mempunyai keaktifan reduksi triiodide yang menyerupai elektroda platina [8]. 2.5 Cara Kerja DSSC Elektroda kerja pada DSSC merupakan kaca yang sudah dilapisi oleh TiO2 yang telah terabsorbsi oleh dye, yang mana TiO2 berfungsi sebagai collector elektron sehingga dapat disebut sebagai semikonduktor tipe-n. Struktur nano pada TiO2 memungkinkan dye yang teradsorpsi lebih banyak sehingga menghasilkan proses absorbsi cahaya yang lebih efisien. Pada elektron pembanding dilapisi katalis berupa karbon untuk mempercepat reaksi redoks pada elektrolit. Pasangan redoks yang umumnya dipakai yaitu I-/I3- (iodide/triiodide) [3]. Pada DSSC dye berfungsi sebagai donor elektron yang menyebabkan timbulnya hole saat molekul dye terkena sinar matahari. Sehingga dye dapat dikatakan sebagai semikonduktor tipep. Ketika molekul dye terkena sinar matahari, electron dye tereksitasi dan masuk ke daerah tereduksi yaitu lapisan titanium dioksida.
D/D*
h
injeksi
e
e
-
D/D
e -
e -
e
+
I I3I3- I-
-
-
e -
e -
Gambar 2.2 Prinsip KerjaDSSC [7]
Prinsip kerja pada DSSC secara skematik ditunjukkan pada gambar 2.2, sedangkan proses yang terjadi di dalam DSSC dapat dijelaskan sebagai berikut: a. Ketika foton dari sinar matahari menimpa elektroda kerja pada DSSC, energi foton tersebut diserap oleh larutan dye yang melekat pada permukaan partikel TiO2. Sehingga elektron dari dye mendapatkan energi untuk dapat tereksitasi (D*). (2.1) D + cahaya D* b. Elektron yang tereksitasi dari molekul dye tersebut akan diinjeksikan ke pita konduksi TiO2 dimana TiO2 bertindak sebagai akseptor / kolektor elektron. Molekul dye yang ditinggalkan kemudian dalam keadaan teroksidasi (D+). D* + TiO2 e-(TiO2) + D+ (2.2) c. Selanjutnya elektron akan ditransfer melewati rangkaian luar menuju elektroda pembanding (elektroda karbon). d. Elektrolit redoks biasanya berupa pasangan iodide dan triiodide (I-/I3-) yang bertindak sebagai mediator elektron sehingga dapat menghasilkan proses siklus dalam sel. Triiodida dari elektrolit yang terbentuk akan menangkap elektron yang berasal dari rangkaian luar dengan bantuan molekul karbon sebagai katalis. e. Elektron yang tereksitasi masuk kembali ke dalam sel dan bereaksi dengan elektrolit menuju dye teroksidasi. Elektrolit menyediakan elektron pengganti untuk molekul dye teroksidasi. Sehingga dye kembali ke keadaan awal dengan persamaan reaksi [3] : D+ + e-(elektrolit) elektrolit + D (2.3) Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya TiO2 tersensitisasi dye berasal dari perbedaan tingkat energi konduksi elektroda semikonduktor TiO2 dengan potensial elektrokimia pasangan elektrolit redoks (I-/I3-). Sedangkan arus yang dihasilkan dari sel surya ini terkait langsung dengan jumlah foton yang terlibat dalam proses konversi dan bergantung pada intensitas penyinaran serta kinerja dye yang digunakan [12].
2.6 Performansi Sel Surya Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya tersebut untuk memproduksi tegangan dan arus. Kemampuan ini direpresentasikan dalam kurva arus tegangan (I-V) ditunjukkan pada Gambar 2.4.
I Isc Imp p
Mpp (Vmpp, Impp)
V Vmpp
Voc
Gambar 2.5 Kurva I-V solar cell [1]
Gambar 2.5 memperlihatkan tegangan open-circuit (Voc), Arus short circuit Isc, dan Maximum Power Point (MPP), dan arus tegangan pada MPP : IMPP,VMPP. Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan open-circuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP). Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan persamaan [1] : (2.4) Dengan menggunakan fill factor maka maksimum daya dari sel surya didapat dari persamaan: (2.5) Sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (Pmax ) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (Pcahaya ) : (2.6) Nilai efisiensi ini yang menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi sel surya. Efisiensi dari sel surya tergantung pada temperatur dari sel dan yang lebih penting lagi adalah kualitas illuminasi. Misalnya total intensitas cahaya dan intensitas spektrum yang terdistribusi. Oleh karena itu, standar kondisi pengukuran harus dikembangkan sejalan dengan pengujian sel surya di laboraturium. Kondisi standar yang telah digunakan untuk menguji solar sel dengan intensitas cahaya 1000 W/m2, distribusi spektrum dari pancaran matahari seperti Gambar 2.5, dan temperatur sel 25oC. Daya yang dikeluarkan solar cell
pada kondisi ini adalah daya normal dari sel, atau modul, dan dicatat sebagai puncak daya (peak watt), Wp [1].
Gambar 2.6 Spektrum Pancaran Matahari [1]
2.7
Spektrofotometer UV VIS Spektroskopi adalah studi mengenai interaksi cahaya dengan atom dan molekul. Radiasi cahaya atau elektromagnet dapat dianggap menyerupai gelombang. Dasar spektroskopi UV-Vis adalah serapan cahaya. Bila cahaya jatuh pada senyawa, maka sebagian dari cahaya diserap oleh molekul-molekul sesuai dengan struktur dari molekul senyawa tersebut. Serapan cahaya oleh molekul dalam daerah spektrum UV-Vis tergantung pada struktur elektronik dari molekul. Spektra UV-Vis dari senyawa-senyawa organik berkaitan erat dengan transisi-transisi diantara tingkatan-tingkatan tenaga elektronik [14]. Spektrofotometri merupakan salah satu metode dalam kimia analisis yang digunakan untuk menentukan komposisi suatu sampel baik secara kuantitatif dan kualitatif yang didasarkan pada interaksi antara materi dengan cahaya. Peralatan yang digunakan dalam spektrofotometri disebut spektrofotometer. Cahaya yang dimaksud dapat berupa cahaya visibel, UV dan inframerah, sedangkan materi dapat berupa atom dan molekul namun yang lebih berperan adalah elektron valensi. Secara sederhana Instrumen spektrofotometri yang disebut spektrofotometer terdiri dari : sumber cahaya – monokromator – sel sampel – detektor – read out (pembaca)[15].
Gambar 2.6 Skema Kerja Spektrofotometer UV-VIS [13]
Spektrofotometri visible disebut juga spektrofotometri sinar tampak. Cahaya yang dapat dilihat oleh mata manusia adalah cahaya dengan panjang gelombang 400-700 nm. Cahaya yang diserap oleh suatu zat berbeda dengan cahaya yang ditangkap oleh mata manusia. Cahaya yang tampak atau cahaya yang dilihat dalam kehidupan sehari-hari disebut warna komplementer (tabel 2.1) [15] Tabel 2.1 Skala spektrum cahaya tampak [13] Warna Panjang Warna komplementer gelombang warna yang (warna yang (nm) diserap terlihat) 400 – 435
Ungu
Hijau kekuningan
435 – 480
Biru
Kuning
480 – 490
Biru kehijauan
Jingga
490 – 500
Hijau kebiruan
Merah
500 – 560
Hijau
Ungu kemerahan
560 – 580
Hijau kekuningan
Ungu
580 – 595
Kuning
Biru
595 – 610
Jingga
Biru kehijauan
610 – 800
Merah
Hijau kebiruan
III. TINJAUAN PUSTAKA 3.1 Diagram Penelitian Persiapan
Ekstraksi
Pembuatan Pasta TiO2
Pembersihan Kaca ITO
Pembuatan Elektroda Karbon
Daun Bayam Pengukuran resistansi kaca Pengujian UV-VIS Deposisi dan Sintering Lapisan TiO2
Perendaman Lapisan TiO 2
Penetesan Larutan Elektrolit
Penyusunan Sandwich DSSC
Pengujian DSSC
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
3.2.1
Persiapan Persiapan yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pembersihan alat-alat untuk ekstraksi dan persiapan pembuatan pasta Titanium dioxide (TiO2). Pembersihan alat dilakukan dengan menggunakan alkohol agar lebih steril. Proses persiapan untuk ekstraksi dilakukan dengan pembersihan alat berupa mortar dan alu, gelas kimia, dan spatula. Proses persiapan pembuatan pasta TiO2 yaitu disiapkan serbuk TiO2 sebanyak 6 gram yang ditimbang dengan menggunakan timbangan digital, asam asetat dan triton X-100. Bahan yang digunakan sebagai substrat adalah kaca Indium Tin Oxide (ITO). Kaca tersebut dibersihkan dengan menggunakan ultrasonic cleaner. Pembersihan kaca substrat agar kaca terbebas dari material-material yang tidak mampu dibersihkan dengan air saja. . 3.2.2 Pembersihan Kaca Indium Tin Oxide (ITO) menggunakan Ultrasonic Cleaner
Alkohol 70% dituang pada gelas kimia sebanyak 200 ml. Kemudian, kaca ITO ukuran 2x2 cm di masukkan pada gelas kimia yang berisi etanol. Pada ultrasonic cleaner diisi aquades sampai pada batas yang ditentukan. Gelas kimia yang berisi kaca ITO dan etanol tersebut dimasukkan ke ultrasonic cleaner (lihat gambar 3.2). Di setting waktu 60 menit pada proses pembersihan. Setelah 60 menit, kaca dikeringkan menggunakan hair drayer. 3.2.3
Pembuatan Pasta TiO2 Pasta TiO2 dibuat dari 6 gram serbuk TiO2 yang digerus terlebih dahulu dalam mortar alu selama 5 menit (gambar 3.3 a). Kemudian ditambahkan 10 ml asam asetat sambil terus di aduk selama 10 menit dan ditambahkan 10 tetes triton X-100 (gambar 3.3 b). Di aduk secara konstan selama 30 menit. Kemudian, TiO2 yang sudah terbentuk dimasukkan ke dalam botol tetes dan ditutup (gambar 3.3 c). Sebelum digunakan, botol berisi TiO2 tersebut dikocok terlebih dahulu. 3.2.4
Ekstraksi Daun Bayam Sebagai Dye Daun bayam atau Amaranthus Hybridus L. (gambar 3.4 a) dikeringkan (drying) dalam oven dari suhu 32oC sampai ke suhu 200oC dan di diamkan selama 1 jam, kemudian suhu diturunkan sampai dengan 80oC bunga dikeluarkan. Daun bayam yang sudah kering digerus (dijadikan serbuk). Serbuk daun dimasukkan ke dalam gelas kimia dan ditambahkan asam asetat dan etanol (gambar 3.4 a) diaduk selama 10 menit. Kemudian larutan ekstrak disaring dengan menggunakan kertas saring (Gambar 3.4 b). Kemudian ditutup agar tidak mudah menguap. 3.2.5
Pembuatan Lapisan TiO2 Pasta TiO2 dideposisikan diatas area yang telah dibuat pada kaca konduktif dengan metode doctor blade yaitu dengan bantuan batang pengaduk (spatula) untuk meratakan pasta. Sebelumnya, dilakukan pengujian resistansi, sisi konduktif kaca ITO dengan menggunakan multimeter, (lihat gambar 3.5 a). Kemudian pada sisi konduktif kaca ITO berukuran 2x2cm dibentuk area untuk pendeposisian TiO2 berukuran 1,5x1,5cm diatas permukaan konduktif. Sisi kaca ITO ditempel selotip sebagai pembatas. Pasta TiO2 yang disimpan dalam botol dikocok terlebih dahulu. Kemudian dideposisikan diatas permukaan kaca ITO yang sudah disiapkan (gambar 3.5 b), dan
diratakan dengan spatula (gambar 3.5 c). Kemudian lapisan didiamkan selama 5 menit. Setelah itu, di sintering dalam tungku listrik (hot plate) sampai pada temperatur 300oC selama 10 menit (gambar 3.5 d). 3.2.6
Pembuatan Elektroda Karbon Kaca Indium Tin Oxide (ITO) diarsir dengan menggunakan pensil 6B secara merata (gambar 3.6 a). Kemudian dibakar pada api dari lilin sampai terbentuk lapisan karbon (gambar 3.6 b). Pada 3 tepi kaca di gosok menggunakan cutton bud membuat batas agar luasan karbon 1,5 cm x 1,5 cm seperti pada gambar 3.6 c. 3.2.7 dye
Perendaman Lapisan TiO2 dengan
Lapisan TiO2 yang telah dibuat dengan ukuran luas permukaan lapisan 1,5cm x 1,5cm direndam pada ekstrak dye daun bayam dalam cawan petri (gambar 3.7 a). Perendaman dilakukan selama 2 jam. Lapisan dye yang sudah direndam dalam ekstrak dye selama 2 jam dapat dilihat pada gambar 3.7 b. 3.2.8
Penetesan Larutan Elektrolit Setelah elektroda kerja selesai dibuat, dilakukan penetesan elektrolit pada elektroda kerja. Penetesan larutan elektrolit pada elektroda kerja, yaitu elektroda TiO2 yang sudah tersensitisasi oleh dye sebelum disusun menjadi lapisan sandwich. Penetesan dilakukan sebanyak 2 tetes seperti pada gambar 3.8. Pembuatan Lapisan sandwich DSSC Lapisan kaca ITO terdeposisi TiO2 yang telah di sintering tersebut direndam dalam larutan ekstrak dye daun bayam selama 2 jam. Lapisan DSSC dibuat dengan menyusun secara offset lapisan TiO2 tersensitisasi dye dengan lapisan elektroda karbon. Sebelum disusun offset, diteteskan larutan elektrolit di atas lapisan TiO2 tersensitisasi dye. Kemudian dijepit dengan menggunakan klip binder. Penyusunan secara off set agar mudah dalam pengujian (gambar 3.9)
Gambar 3.9 Lapisan sandwich DSSC
3.2.10 Karakterisasi Absorbansi Dye Pengujian ekstrak dye daun bayam yang telah dibuat kemudian diuji absorbansi terhadap panjang gelombang. Sebelum dilakukan pengujian ekstrak daun bayam, dilakukan kalibrasi alat spektrofotometer uv-vis dengan menggunakan aquades yang dimasukkan dalam cuvet. Kemudian, ekstrak dye dimasukkan dalam cuvet (gambar 3.10 a). Pengujian dilakukan untuk mengetahui kepekaan ekstrak terhadap panjang gelombang yang diserap. Alat yang digunakan dalam pengujian ekstrak ini adalah spektrofotometer UV-VIS merk Beckman du 7500 yang akan emnghasilkan grafik keluaran dari pengujian (gambar 3.10 b). 3.2.11 Pengukuran Tegangan dan Arus Lapisan DSSC yang terbentuk dikarakterisasi arus dan tegangannya dengan menggunakan voltmeter (V) dan sebuah amperemeter (A) seperti pada gambar 3.11. Sumber cahaya diarahkan tegak lurus terhadap permukaan sel. Pengujian dilakukan dengan sumber foton cahaya matahari (gambar 3.12 a) dan lampu halogen 6 volt 30 watt (gambar 3.12 b). Pengujian dilakukan dengan variasi ketinggian lampu halogen terhadap prototipe DSSC sebesar 5cm, 20cm, dan 35cm.
3.2.9
(a)
(b) Gambar 3.12 (a) Pengukuran tegangan dan arus dengan sumber cahaya matahari (b) Pengukuran tegangan dan arus dengan sumber cahaya lampu halogen
IV. 4.2
TINJAUAN PUSTAKA Hubungan Absorbansi dengan Panjang Gelombang dan Hubungan Arus dan Tegangan Terhadap Waktu Dari DSSC 4.2.1 Absorbsi Ekstrak Dye Daun Bayam Grafik absorbansi ekstrak daun bayam terhadap panjang gelombang diperoleh dari pengujian ekstrak bayam dengan menggunakan spektrofotometer UV-VIS Beckman DU7500. Hasil pengujian dapat dilihat dari gambar 4.1 dan puncak - puncak absorbansi terhadap panjang gelombang (nm) dapat dilihat pada tabel 4.3.
Gambar 4.1 Hubungan Absorbsi ekstrak daun bayam terhadap panjang gelombang
Tabel 4.3 Data Absorbsi Ekstraksi Bayam Pada Puncak Panjang Gelombang Panjang Gelombang (nm) 355.0 364.0 389.0 403.0 420.0
Absorbansi 2.4366 2.2716 1.8959 1.9574 2.0411
Gambar 4.2 Hubungan Tegangan terhadap Waktu dengan Sumber Cahaya Matahari
Gambar 4.3 Hubungan Arus terhadap Waktu (per 15 detik) dengan Sumber Cahaya Matahari pada pukul 08.30, pukul 12.30 dan pukul 14.50
4.2.3
Pengukuran Menggunakan Sumber Cahaya Lampu Halogen Berdasarkan percobaan, diperoleh data arus dan tegangan. Sehingga hubungan arus dan tegangan terhadap waktu dengan menggunakan sumber cahaya lampu halogen dengan beda jarak ketinggian lampu terhadap sel DSSC dapat dilihat dari gambar 4.2 dan 4.3 berikut :
4.2.2 Pengukuran Menggunakan Sumber Cahaya Matahari Berdasarkan percobaan, diperoleh data arus dan tegangan. Sehingga hubungan arus dan tegangan terhadap waktu dengan menggunakan sumber cahaya matahari dapat dilihat dari gambar 4.2 dan 4.3 berikut : Gambar 4.4 Hubungan Tegangan Terhadap Waktu Pada Pengukuran DSSC Ekstrak Daun Bayam terhadap Ketinggian Sumber Cahaya Halogen
Gambar 4.5 Hubungan Arus terhadap Waktu Pada Pengukuran DSSC terhadap ketinggian Sumber Cahaya Halogen
4.4
Pembahasan Larutan dye dibuat dari ekstrak daun bayam yang dapat menyersap dan meneruskan spectrum cahaya tampak. Zat warna ini berfungsi sebagai dye sensitizer. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan ekstraksi daun bayam sebagai dye sensitizer telah dilakukan pengujian ekstraksi daun bayam menggunakan spektrofotometer UV-VIS Beckamn DU7500 untuk mengetahui daya absorbsi ekstrak bayam terhadap panjang gelombang tampak. Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjanng gelombang 350-800 nm. Hasil karakterisasi spectrum absorbansi (gambar 4.1) memprtlihatkan bahwa spektrum serapan ekstrak daun bayam terletak pada 355-420 nm. Dari data tersebut dapat diketahui daun bayam terbukti memiliki daya absorb pada gelombang cahaya tampak, yaitu terlihat pada puncak absorbansi pada panjang gelombang 403 nm dan 420 nm. Hasil pengujian tersebut dapat diketahui puncak absorbansi ekstrak daun bayam pada tabel 4.3 yaitu pada 355 nm, 364 nm, 389 nm, 403 nm, 420 nm. Terdapat puncak absorbansi pada panjang gelombang dibawah 400 nm, hal ini berarti larutan dye daun bayam juga bekerja pada sinar UV yang terletak pada rentang 100400 nm. Hasil pengujian dari ekstraksi daun bayam ini sesuai dengan teori pada BAB II pada sub bab (2.7) telah dipaparkan mengenai warna yang tampak / warna komplemen. Ekstraksi daun bayam menghasilkan warna yang tampak (warna komplemen) hijau kekuningan dengan warna yang diserap adalah warna ungu dengan panjang gelombang 400-435 nm. Panjang gelombang tersebut masih merupakan panjang gelombang cahaya tampak yaitu 400-800nm.
Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan cahaya matahari dan lampu halogen. Pada penelitian juga dilakukan dengan menggunakan cahaya lampu halogen 6 volt 30 watt untuk mengetahui pengaruh intensitas terhadap hasil keluaran tegangan dan arus DSSC. Pengujian dilakukan dengan variasi ketinggian antara DSSC dengan lampu halogen yaitu sebesar 5cm, 20cm dan 35cm. Dengan pengukuran intensitas yang konstan di setiap ketinggian yaitu 269 lux, 164 lux, dan 54 lux. Digunakan lampu halogen karena memancarkan cahaya polikromatik dengan rentang panjang gelombang 360-500 nm. Nilai tegangan dan arus ketika ketinggian lampu 5cm lebih besar daripada ketika pengujian 20cm dan 35cm. Semakin tinggi sumber cahaya, semakin kecil nilai karakterisasinya karena intensitas yang diterima semakin kecil. Berdasarkan gambar 4.4 dan gambar 4.5 nilai tegangan DSSC pada ketinggian sumber 5cm dengan intensitas sebasar 269 lux yaitu rata-rata 323 mV, dan ketinggian 20 cm memiliki tegangan rata-rata sebesar 253,6 mV serta pada ketinggian 35 cm diperoleh tegangan rata – rata 209,1 mV. Sedangkan arus yang muncul juga sangat kecil (dalam orde mikro). Hal ini juga dipengaruhi oleh intensitas dari lampu halogen yang kecil. Berdasarkan data-data yang diperoleh, tegangan dan arus yang muncul menggunakan sumber cahaya matahari lebih besar daripada menggunakan cahaya lampu halogen. Hal ini karena cahaya matahari memiliki rentang panjang gelombang yang lebar dan intensitas yang dipancarkan ke bumi besar. Sedangkan lampu halogen hanya bekerja pada rentang panjang gelombang antara 360-500 nm. Hasil keluaran tegangan dan arus yang diperoleh dengan menggunakan sumber cahaya matahari dan halogen terlihat bahwa tegangan yang dihasilkan sudah cukup baik dan stabil namun arus yang dihasilkan kurang optimal. Intensitas sangat memperngaruhi daya keluaran dari DSSC. Semakin besar intensitas, semakin banyak jumlah foton yang terlibat dalam proses konversi, sehingga semakin besar arus. Selain itu, rendahnya arus keluaran ini juga disebabkan oleh beberapa faktor yaitu ukuran partikel dan ketebalan pasta TiO2 yang dideposisikan pada kaca ITO, lama perendaman pada dye, penggunaan elektrolit cair. Dalam penelitian ini digunakan elektrolit cair, dimana elektrolit tersebut semakin lama digunakan akan semakin habis
karena menguap, dan menghasilkan siklus transfer elektron yang kurang maksimal. Sesuai dengan fungsi dari elektrolit yaitu transfer elektron / muatan, jika elektrolit habis atau bahkan tidak ada, maka aktivitas transfer elektron akan berkurang / tidak ada. Ukuran TiO2 yang digunakan dalam penelitian ini adalah berukuran mikro. Sebenarnya, yang paling utama dalam pembuatan DSSC adalah TiO2 dengan fasa anatase (seperti yang telah digunakan dalam penelitian ini) karena memiliki bandgap yang lebar. Pada umumnya, yang digunakan dalam pembuatan DSSC adalah TiO2 berfasa anatase dengan ukuran nano. Dimana ukuran nano ini memiliki pengaruh terhadap jumlah dye yang terserap. Kemudian, ketebalan lapisan yang tidak seragam sehingga berpengaruh pada terhambatnya proses keluarnya elektron. Dalam DSSC tegangan yang timbul karena adanya perbedaan tingkat energi konduksi elektroda TiO2 dengan potensial elektrokimia. Dan arus yang timbul dipengaruhi oleh (intensitas) foton yang diserap dye dan akan di transfer oleh elektrolit. Proses akan terjadi secara kontinyu. Proses tersebut merupakan proses konversi energi dari foton menjadi listrik.
sumber cahaya lampu halogen. Dan berdasarkan data pengukuran DSSC dengan menggunakan lampu halogen, dapat diketahui bahwa jarak sumber mempengaruhi intensitas dan berpengaruh terhadap arus dan tegangan DSSC. Semakin tinggi jarak sumber cahaya terhadap DSSC, semakin kecil intensitas dan semakin kecil tegangan dan arusnya. 5.2 Saran Dari penelitian yang telah dilakukan, saran untuk penelitian selanjutnya agar menghasilkan DSSC yang optimal yaitu : 1. Sebaiknya pada penelitian selanjutnya TiO2 yang digunakan berukuran nanopartikel. 2. Elektrolit yang digunakan berupa elektrolit cair yang lebih kental yaitu berupa gel atau padatan, agar tidak mudah menguap sehingga transfer elektron tidak terhambat sehingga menghasilkan arus dan tegangan yang lebih stabil. 3. Dalam pengujian DSSC dengan menggunakan sumber cahaya matahari, dilakukan pada saat cuaca cerah untuk mendapatkan hasil yang maksimum.
V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian Tugas Akhir yaang berjudul “Studi Awal Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Menggunakan Ekstraksi Daun Bayam Sebagai Dye Sensitizer Dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya Pada DSSC“ antara lain : a. Telah berhasil dibuat sel surya tipe DSSC menggunakan TiO2 sebagai bahan semikonduktor dengan ekstraksi daun bayam sebagai dye sensitizer yang dapat mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik. Hal ini dibuktikan dengan munculnya arus dan tegangan pada DSSC. b. Tegangan dan arus diukur menggunakan multimeter dan menghasilkan 5cm dengan intensitas sebasar 269 lux yaitu rata-rata 323 mV, dan ketinggian 20 cm intensitas 164 lux memiliki tegangan rata-rata sebesar 253,6 mV serta pada ketinggian 35 cm dengan intensitas 54 lux diperoleh tegangan rata – rata 209,1 mV. c. Pengukuran arus dan tegangan DSSC dengan menggunakan sumber cahaya matahari lebih besar daripada menggunakan
DAFTAR PUSTAKA [1] Green, Martin A., 1982, “Solar Cells Operating Principles Technology and System Application”, Prentice Hall, Inc; Evylewood Cliffs N.J. [2] O’regan dan Gratzel, M. 1991, “A LowCost, High Efficiency Solar Cell Based On Dye-Sensitized Colloidal Tio2 Films”. Nature Vol. 353. Issue 6346, 737. [3] Smestad, G.P., dan Gratzel, M., 1998, “Demonstrating electron Transfer and Nanotechnology : A Natural DyeSensitized Nanocrystalline energy Converter”, J.Chem. Educ., 75, 752-756. [4] Malvino, B., Tjia, 1986, “Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor penghantar Transistor dan Rangkaian Terpadu”, Erlangga, Jakarta. [5] Schmidt-Mende L & Grätzel M, 2006, “Pore-Filling and Its Effect on The Efficiency of Solid-State Dye-Sensitized Solar Cell”, Thin Solid Films 500:296-301. [6] ---http://majalahenergi.com/ (16 July 2011) [7] Huang dkk, “Preparation of a Novel Polymer Gel Electrolyte Gel based on Nmethyl-quinoline Iodide and Its Application in Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cell”, J. Sol-Gel Sci, 2007.
[8] Kay, A., Grätzel, M., 1996, “Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 44, 99-117 [9] Grätzel, Michael, “Dye-Sensitised Solar Cells, journal of Photochemistry and Photobiology”, Vol.4, 145-153, 2003. [10] Wang Song, dkk, “TiO2 films prepared by micro-plasma oxidation method for dyesensitized solar cell”, Eletrochimia Acta 53, 2007. [11] Nygren, K, “Solar cells based on synthesized nanocrystalline ZnO thin films sensitized by chlorophyll a and
photopigments isolated from spinach”, Master’s Thesis.Linköping University.Swedia, 2010. [12] Li B, Wang L, Kang B, Wang P & Qiu Y, 2006, “Review of Recent Progress in Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Sol. Energy Mater, Sol. Cells”, 90:549-573. [13]www.wanibesak.wordpress.com/category/sp ektroskopi/ (22 November 2011) [14] Hardjono Sastrohamidjojo, 1991, “Spektroskopi”, Liberty: Yogyakarta [15] Khopkhar S.M, 2003, “Konsep Dasar Kimia Analitik”, Jakarta : UI-Press [16] Giancoli, C.Douglas, 2001, “Fisika” Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga, hal : 227.
