STUDI PERFORMANSI NATURAL DYE SENSITIZED SOLAR CELL MENGGUNAKAN FOTOELEKTRODE TiO2 NANOPARTIKEL
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik dari Institut Teknologi Bandung
oleh
EKA CAHYA PRIMA NIM : 23311004 (Program Studi Teknik Fisika)
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2013
STUDI PERFORMANSI NATURAL DYE SENSITIZED SOLAR CELL MENGGUNAKAN FOTOELEKTRODE TiO2 NANOPARTIKEL
oleh
Eka Cahya Prima NIM : 23311004 (Program Studi Teknik Fisika) Institut Teknologi Bandung
Menyetujui, Tim Pembimbing
Tanggal 13 Maret 2013
Pembimbing I
Pembimbing II
__________________________ (Brian Yuliarto, S.T, M.Eng, Ph.D)
____________________ (Dr. Ir. Suyatman, M.Eng)
Dipersembahkan kepada Istriku Dian Novita Zebua, S.Si Anakku Alfiya Ilma Hanifah Ibuku Ani Tarlia dan Ayahku Dadang Wahyudin Mertuaku Tuti Sumarni dan Arolli Zebua Adikku Riki Aditya dan Kakak Iparku Ermalinda Zebua, S.Si
ABSTRAK STUDI PERFORMANSI NATURAL DYE SENSITIZED SOLAR CELL MENGGUNAKAN FOTOELEKTRODE TiO2 NANOPARTIKEL oleh
Eka Cahya Prima NIM : 23311004 (Program Studi Teknik Fisika)
Penggunaan natural dye sebagai fotosensitizer pada DSSC hingga kini masih menghasilkan efisiensi devais yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan penggunaan dye kompleks logam dan dye sintesis organik. Penelitian difokuskan pada preparasi natural dye antosianin, karotenoid, dan klorofil dengan metode perendaman selama dua minggu pada kondisi netral dan asam di ruang gelap, temperatur 25oC, tekanan 1 atm, serta tanpa proses pemurnian lebih lanjut. Zat pewarna alami tersebut telah sukses tersensitisasi pada TiO2 anatase nanopartikel. Beberapa perlakuan seperti penggabungan dua zat warna dan penambahan 2% asam asetat sebagai koadsorpsi dilakukan untuk meningkatkan performansi devais. Pengujian fotosensitizer dilakukan dengan analisis spektrofotometri FTIR dan UV-Vis, pengujian fotoelektrode TiO2 dilakukan dengan SEM dan XRD, serta pengujian performansi DSSC diukur berdasarkan kurva arus tegangan di bawah iradiasi solar simulator 36 mW/cm2. Hasilnya, diperoleh efisiensi tertinggi DSSC sebesar 0,76% menggunakan gabungan fotosensitizer antosianin dan klorofil pada suasana asam dengan penambahan koadsorpsi asam asetat 2%. Dengan demikian, beberapa bahan pewarna alami tersebut sangat berpotensi sebagai fotosensitizer yang murah, tersedia melimpah, dan ramah lingkungan. Kata kunci: dye sensitized solar cells, titanium dioksida nanopartikel, natural dye, antosianin, karotenoid, klorofil, dan koadsorpsi
i
ABSTRACT STUDY OF NATURAL DYE SENSITIZED SOLAR CELL PERFORMANCE USING TiO2 NANOPARTICLE PHOTOELECTRODE by
Eka Cahya Prima NIM : 23311004 (Department of Engineering Physics)
Utilization natural dye as photosensitizer is still generate a lower over all cell efficiency than utilization of metal complexes and organic sinthesis dye as photosensitizer. This research has focused on natural dye preparation such as anthocyanin, carotenoid, and chlorophyll pigment using dipping method for two weeks with neutral and acidic condition on dark room, temperature 25oC, pressure 1 atm, and without further purification. The natural pigment has sensitized succesfully on TiO2 nanoparticle with anatase phase. Several treatments such as combination of two pigment and addition of 2% acetic acid as coadsorption in order to enhance cell performance. FTIR and UV-Vis spectrophotometry are required for photosensitization analysis, photoelectrode TiO2 is tested with SEM and XRD, then cell performance is tested based on I-V curve under solar simulator irradiation 36 mW/cm2. The highest cell performance with 0,76% of over all efficiency is obtained with combination of anthocyanin and chlorophyll pigment on acidic condition along with 2% acetic acid as coadsorption. The results show that utilization of natural pigments as photosensitizer have high potential for future low cost, biodegradable, and environment friendly. Keywords: dye sensitized solar cells, titanium dioxide nanoparticle, natural dye, anthocyanin, carotenoid, chlorophyll, and coadsorption
ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta pada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iii
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis sangat berterima kasih kepada Brian Yuliarto, S.T, M.Eng, Ph.D dan Dr. Ir. Suyatman, M.Eng sebagai Pembimbing, atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis ini. Penulis sangat berterima kasih kepada Prof. Dr. Ir. Bambang Sunendar, M.Eng, Dr. Ir. Nugraha, dan Dr. Ir. Ahmad Nurudin yang turut membantu membimbing dan memberikan saran pelaksanaan penelitian. Terima kasih kepada Lia Muliani, S.T dari Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia yang turut membantu memberikan sumbangan bahan yang digunakan sebagai elektrolit dalam proses pembuatan DSSC. Terima kasih kepada Mas Pram dari Korea Advanced Institute of Science and Technology yang telah meluangkan waktunya untuk membantu proses karakterisasi SEM, dan XRD material DSSC. Terima kasih kepada Bapa Rosyid yang telah membantu proses sintesis natural dye di Laboratorium Pemrosesan Material Maju. Terima kasih kepada seluruh rekan-rekan seperjuangan S2 di Teknik Fisika M.Iqbal, Rama, Wahyu, Hanifadina, Bambang, Bayu, dan Heri, serta adik tingkatku S1 di Lab AFM Idham, Felis, Sinta, Deril, Anggi, Mulyadi, Distra, dan Maruli semoga silaturahim kita tidak terputus. Terima kasih disampaikan kepada Departemen Jendral Pendidikan Tinggi atas bantuan Beasiswa Unggulan yang diberikan selama pendidikan program magister ini.
iv
DAFTAR ISI ABSTRAK ............................................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................................................ ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ................................................................... iii UCAPAN TERIMA KASIH.................................................................................. iv DAFTAR ISI ............................................................................................................v DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI .............................................................. ix DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ...................................................... xiii Bab I Pendahuluan ...................................................................................................1 I.1 Pendahuluan ...................................................................................................1 I.2 Latar Belakang ...............................................................................................3 I.3 Rumusan Masalah ..........................................................................................5 I.4 Batasan Masalah ............................................................................................5 I.5 Tujuan Penelitian ...........................................................................................6 I.6 Sasaran Penelitian ..........................................................................................6 I.7 Hipotesis ........................................................................................................6 I.8 Sistematika.....................................................................................................7 Bab II Tinjauan Pustaka ...........................................................................................8 II.1 AM 1,5 Global Solar Spektrum....................................................................8 II.2 Dye Sensitized Solar Cell ..............................................................................9 II.2.1 Komponen-komponen .........................................................................11 a. Indium Tin Oxide ...................................................................................12 b. Elektrolit Redoks ...................................................................................13 c. Fotosensitizer.........................................................................................15 i)
Metode peningkatan efek fotosensitisasi .........................................16
ii) Modifikasi sensitizer .......................................................................17 iii) Konsentrasi sensitizer ......................................................................18 iv) Nilai pH pelarut ...............................................................................19 d. Elektrode Nanopartikel TiO2 .................................................................19
v
e. Elektrode Lawan Platina........................................................................22 II.2.2 Prinsip Operasi DSSC .........................................................................22 II.2.3 Energitika DSSC .................................................................................23 II.2.4 Kinetika DSSC ....................................................................................26 II.2.5 Karakteristik Sel Surya ........................................................................28 II.2.6 Stabilitas dan Degradasi DSSC ...........................................................31 II.3 Natural Dye Sensitizer DSSC .....................................................................32 II.3.1 Antosianin ...........................................................................................33 II.3.2 Karotenoid ...........................................................................................35 II.3.3 Klorofil ................................................................................................37 Bab III Metode Penelitian ......................................................................................39 III.1 Lokasi Penelitian .......................................................................................39 III.2 Alat dan Bahan ..........................................................................................39 III.2.1 Alat .....................................................................................................39 III.2.2 Bahan .................................................................................................39 III.3 Metode Penelitian .....................................................................................40 III.4 Preparasi Fotosensitizer DSSC .................................................................41 III.5 Preparasi Fotoelektrode, Elektrode Lawan, dan Elektrolit DSSC ............43 III.6 Perakitan DSSC ........................................................................................43 III.7 Karakterisasi DSSC ..................................................................................44 III.7.1 Karakterisasi Natural Dye Sensitizer .................................................44 a. Karakterisasi Spektrofotometri UV-Vis ................................................44 b. Karakterisasi Spektroskopi Fourier Transform Infra Red (FTIR) ........44 III.7.2 Karakterisasi TiO2 Nanopartikel ........................................................44 a. Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM)............................44 b. Karakterisasi X Ray Diffaction (XRD) ..................................................44 III.7.3 Pengukuran Efisiensi DSSC ..............................................................45 Bab IV Hasil Penelitian dan Diskusi .....................................................................46 IV.1 Identifikasi Jenis Natural Dye Fotosensitizer Hasil Ekstraksi ..................46 IV.1.1 Analisis FTIR Natural Dye Antosianin ..............................................46 IV.1.2 Analisis FTIR Natural Dye Karotenoid .............................................47 IV.1.3 Analisis FTIR Natural Dye Klorofil ..................................................47
vi
IV.2 Analisis Fotoelektrode TiO2 Nanopartikel ................................................48 IV.2.1 Analisis Scanning Electron Microscope (SEM) ................................48 IV.2.2 Analisis X Ray Diffaction (XRD) ......................................................50 IV.3 Analisis Pengaruh Tingkat Keasaman Pelarut dan Penambahan Koadsorpsi Asam Asetat 2% pada Natural Dye Fotosensitizer Antosianin terhadap Performansi DSSC ......................................................................50 IV.4 Analisis Performansi Kulit Citrus sinesis (L), Salacca zalacca, dan Musa sapientum sebagai Natural Dye Fotosensitizer Karotenoid pada Aplikasi DSSC dengan TiO2 Nanopartikel ................................................53 IV.5 Analisis Performansi Imperata cylindrica (L.) Beauv dan Paspalum conjugatum Berg sebagai Natural Dye Fotosensitizer Klorofil pada Aplikasi DSSC dengan TiO2 Nanopartikel ................................................56 IV.6 Analisis Karakteristik Perubahan Rapat Arus, dan Fill Factor terhadap Efisiensi DSSC tanpa Penyekatan Menggunakan Natural Dye Antosianin Ipomea pescapreae dan Klorofil Imperata cylindrica (L.) ........................58 IV.7 Analisis Pengaruh Pencampuran Natural Dye Antosianin Ipomea pescapreae dan Klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv terhadap Efisiensi DSSC...........................................................................................60 IV.8 Analisis Stabilitas dan Degradasi Performansi DSSC berbasis Natural Dye Fotosensitizer Antosianin dan Klorofil dengan TiO2 Nanopartikel Tanpa Penyekatan ................................................................62 IV.8.1 Stabilitas dan degradasi DSSC menggunakan natural dye fotosensitizer antosianin Ipomea pescaprea .....................................63 IV.8.2 Stabilitas dan degradasi DSSC menggunakan natural dye fotosensitizer klorofil Paspalum conjugatum Berg ..........................65 IV.9 Analisis Perbandingan Performansi Antosianin Ipomea pescaprea, Karotenoid Citrus sinesis (L), dan Klorofil Paspalum conjugatum sebagai Natural Dye Fotosensitizer pada Aplikasi DSSC..........................66 Bab V Kesimpulan .................................................................................................69 V.1 Kesimpulan ................................................................................................69 V.2 Saran ...........................................................................................................69 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................71
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A
Grafik UV-Vis Natural Dye.............................................................79 A.1 Grafik absorbansi UV-Vis antosinin Ipomea percaprea ......79 A.2 Grafik absorbansi UV-Vis karotenoid Citrus sinesis (L.) (kiri) dan Salacca zalacca (kanan)........................................79 A.3 Grafik absorbansi UV-Vis karotenoid Musa sapientum .......79 A.4 Grafik absorbansi UV-Vis klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv (kiri), Paspalum conjugatum Berg (kanan) ...............79 A.5 Grafik absorbansi UV-Vis antosianin Ipomea pescapreae (kiri) dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv (kanan) setelah ditambahkan 2% koadsorpsi asam asetat ..................80 A. 6 Grafik absorbansi UV-Vis gabungan antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv ......80
viii
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI Gambar II.1
Spektrum Solar Simulator dari PV Measurement, Inc. dibandingkan dengan AM 1,5 Global ...........................................8
Gambar II.2
Skema definisi air mass ................................................................9
Gambar II.3
Diagram level energi fotosistem I dan II serta dye sensitized solar cell menggunakan dye N3 ..................................................11
Gambar II.4
Desain struktur metal-free organic dye .......................................11
Gambar II.5
Kinetika fotosensitizer cis-Ru(dcbpy)2(NCS)2- TiO2 solar sel dengan mediator elektrolit redoks I-/I3- .......................................14
Gambar II.6
Beberapa cara yang digunakan bagi molekul untuk berikatan dengan permukaan oksida dan non oksida .................................17
Gambar II.7
Skema berbagai cara molekul dapat berikatan pada permukaan 18
Gambar II.8
Prinsip kerja dan diagram level energi dyesensitized solar cell..20
Gambar II.9
Skematik struktur nanokristalin dan injeksi elektron pada dyesensitized solar cell (DSSC) .......................................................21
Gambar II.10
Struktur DSSC dan diagram superposisi pita energi...................22
Gambar II.11
Energitika operasi DSSC ............................................................24
Gambar II.12
Representasi diagram level kinetika DSSC ................................26
Gambar II.13
Karakteristik DSSC dalam kurva tegangan-rapat arus ...............30
Gambar II.14
Struktur kimia antosianidin dan ikatan antosianin pada permukaan TiO2 ..........................................................................34
Gambar II.15
Bunga Ipomea pescaprea ............................................................34
Gambar II.16
Struktur kimia karotein dan ikatannya pada permukaan TiO2 ....35
Gambar II.17
Kulit pisang tanduk Musa sapientum ..........................................36
Gambar II.18
Kulit salak pondoh Salacca zalacca ...........................................36
Gambar II.19
Kulit jeruk medan Citrus sinesis (L) ...........................................36
Gambar II.20
Struktur klorofil a dan b ..............................................................37
Gambar II.21
Alang-alang Imperata cylindrica (L.) Beauv ..............................38
Gambar II.22
Genjoran Paspalum conjugatum Berg ........................................38
aa
Gambar III.1
Bagan alir tahapan penelitian ......................................................40
Gambar III.2
Foto tahap ekstraksi larutan dye ..................................................42
ix
Gambar III.3
Bagan alir preparasi fotosensitizer DSSC ...................................42
Gambar III.4
Hasil ekstraksi dye klorofil (kiri), karotenoid (tengah), dan antosianin (kanan).......................................................................43
Gambar III.5
Pemasangan DSSC tampak dari samping (a), tampak dari atas (b) ................................................................................................43
Gambar III.6
Foto pengukuran DSSC di bawah solar simulator (kiri), pengukuran I-V menggunakan multimeter digital (tengah), solar simulator (kanan) ...............................................................45
Gambar III.7
Rangkaian untuk mengukur karakteristik photocurrent dan photovoltage DSSC.....................................................................45
aaa
Gambar IV.1
Spektrum fourier transform infrared untuk dye antosianin yang diperoleh dari hasil ekstraksi bunga Ipomea pescaprea ....46
Gambar IV.2
Spektrum fourier transform infrared untuk dye karotenoid yang diperoleh dari hasil ekstraksi kulit Musa sapientum ..........47
Gambar IV.3
Spektrum fourier transform infrared untuk dye klorofil yang diperoleh dari hasil ekstraksi Imperata cylindrica (L.) Beauv ....48
Gambar IV.4
Foto SEM TiO2 nanopartikel setelah dilakukan proses kalsinasi pada temperatur 450oC selama 1 jam. .........................49
Gambar IV.5
Pola difraksi sinar X TiO2 nanopartikel setelah dilakukan proses kalsinasi pada temperatur 450oC selama 1 jam ...............50
Gambar IV.6
Spektrum absorpsi natural dye antosianin Ipomea pescaprea ...51
Gambar IV.7
Keseimbangan pembentukan antosianin flavylium dan antosianin quinonoidal pada larutan ...........................................51
Gambar IV.8
Kurva rapat arus-tegangan DSSC tersensitisasi natura dye antosianin Ipomea pescaprea......................................................52
Gambar IV.9
Spektrum absorpsi natural dye karotenoid untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 ......................................................................54
Gambar IV.10 Kurva rapat arus-tegangan DSSC tersensitisasi natural dye karotenoid ...................................................................................54 Gambar IV.11 Spektrum absorpsi natural dye klorofil untuk ekstraksi etanol ...56 Gambar IV.12 Kurva rapat arus-tegangan DSSC tersensitisasi natural dye klorofil untuk ekstraksi etanol ....................................................57
x
Gambar IV.13 Kurva karakteristik pengaruh perubahan rapat arus terhadap perubahan efisiensi DSSC tanpa penyekatan ..............................58 Gambar IV.14 Kurva karakteristik pengaruh perubahan fill factor terhadap perubahan efisiensi DSSC tanpa penyekatan ..............................59 Gambar IV.15 Spektrum absorpsi natural dye untuk ekstraksi etanol + asam asetat 2% pada pH 1,5 .................................................................60 Gambar IV.16 Kurva rapat arus-tegangan DSSC tersensitisasi natural dye untuk ekstraksi etanol + koadsorpsi asam asetat 2% pada pH 1,5..........................................................................................61 Gambar IV.17 Kurva perbandingan stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi (a) natural dye antosianin dengan (b) natural dye klorofil ..........62 Gambar IV.18 Kurva rapat arus-tegangan DSSC tersensitisasi natural dye antosianin Ipomea pescapreae ....................................................64 Gambar IV.19 Kurva stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi natural dye klorofil Paspalum conjugatum Berg .........................................65 Gambar IV.20 Spektrum fourier transform infrared untuk dye antosianin, karotenoid, dan klorofil ...............................................................66 Gambar IV.21 Perbandingan spektrum absorpsi natural dye untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 dengan menggunakan antosianin, karotenoid, klorofil,dan gabungan antosianin dan klorofil .........67 Gambar IV.22 Perbandingan spektrum absorpsi natural dye untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 dengan menggunakan antosianin, karotenoid, klorofil, dan gabungan antosianin dan klorofil ........68 a
xi
DAFTAR TABEL Tabel I.1
Perbedaan DSSC dengan berbagai bahan pewarna dasar ...................2
Tabel I.2
Penelitian yang berhubungan dengan topik penelitian .......................4
AA
Tabel II.1
Pigmen pada tumbuhan .....................................................................16
Tabel II.2
Band gap energi dan flat band potensial (conduction band positions) semikonduktor tipe n yang umum digunakan dalam sensitisasi dye ....................................................................................19
Tabel II.3
Hasil penelitian terkini natural dye tunggal sebagai fotosensitizer DSSC dengan nilai efisiensi tertinggi lebih dari 0,6% dalam berbagai perlakuan ............................................................................33
Tabel IV.1 Perbandingan nilai puncak intensitas kurva I-2ϴ kristal TiO2 nanopartikel .......................................................................................50 Tabel IV.2 Pengaruh tingkat keasaman dan koadsorpsi terhadap efisiensi DSSC dengan fotosensitizer natural dye antosianin Ipomea pescaprea ..........................................................................................52 Tabel IV. 3 Performansi natural dye karotenoid sebagai fotosensitizer DSSC dibandingkan dengan hasil capaian efisiensi tertinggi penelitian terkini ................................................................................................55 Tabel IV.4 Performansi natural dye klorofil sebagai fotosensitizer DSSC pada kondisi asam dan netral .....................................................................57 Tabel IV.5 Pengaruh penggabungan natural dye antosianin dan klorofil sebagai fotosensitizer DSSC dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya .......................................................................................61 Tabel IV.6 Stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi natural dye antosianin Ipomea pescapreae menggunakan ekstraksi etanol pada pH 1,5 ....64 Tabel IV.7 Stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi natural dye klorofil Paspalum conjugatum Berg menggunakan ekstraksi etanol pada pH 1,5 di bawah penyinaran 36 mW/cm2 selama 60 menit ..............65 Tabel IV.8 Perbandingan efisiensi tertinggi DSSC dengan menggunakan natural dye antosianin, karotenoid, klorofil, dan gabungan antosianin-klorofil sebagai fotosensitizer .........................................68 [
xii
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
Singkatan
Nama
Pemakaian pertama kali pada halaman 7
AM
Air Mass
APCE
Absorbed Photon to Current Conversion Efficiency
4
ATO
Antimony-Doped Tin Oxide
13
AZO
Aluminum-Doped Zinc Oxide
13
CB
Conduction Band
21
DC
Direct Current
39
DSSC
Dye Sensitized Solar Cells
1
EPFL
Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne
9
EQE
External Quantum Efficiency
29
FF
Fill Factor
4
FTIR
Fourier Transform Infra Red
3
FTO
Flour Dopped Indium Dioxide
24
HCl
Asam Klorida
5
HID
High Intensity Discharge
45
HOMO
Highest Occupy Molecular Orbital
16
IEEE
Issue on Electrical and Electronic Engineering
4
IPA
Isopropil Alkohol
39
IPCE
Incident Photon to Electron Efficiency
4
ITO
Indium Tin Oxide
6
LHE
Light Harvesting Efficiency
4
LUMO
Lowest Unoccupy Molecular Orbital
15
MBI
Methylbenzimidazole
15
MLCT
Metal to Ligand Charge Transfer
11
NADP
Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate
10
RTILs
Room Temperature Ionic Liquids
13
SEM
Scanning Electron Microscope
3
TBP
Tert-Butyl Pyridine
14
TCO
Transparent Conductive Oxide
11
UV-Vis
Ultraviolet-Visible
3
XRD
X-Ray Diffraction
3
xiii
Lambang
Nama Pemakaian pertama _____________________________________kali pada halaman
D
Dye
14
Ecb
Energi Conduction Band
20
Ef
Energi Fermi
25
Efb
Energi Flat Band
20
Eg
Energi Gap
16
I
Ion Iodida
6
I3-
Ion Triiodida
6
Is
Incident Light
30
Jmax
Rapat Arus Maksimal
31
Jsc
Short Circuit Photocurrent
28
M
Medium
16
S
Sensitizer
16
-
S*
Sensitizer Tereksitasi
16
S
+
Sensitizer Teroksidasi
16
S
-
Sensitizer Tereduksi
16
T
Temperatur
28
Vmax
Tegangan Maksimal
30
Voc
Open Circuit Photovoltage
28
X
Atom
9
Z
Zenit
19
e
Elektron
15
h
Kostanta Planck
11
ket
Laju Rekombinasi
29
no
Rapat Elektron
29
ݎ
Incident Light Loss
29
Panjang Gelombang
29
ߥ
Frekuensi Cahaya
11
η
Overall Efficiency
28
ߟ
Efisiensi Koleksi Elektron
30
Foto Fluks
29
Quantum Yield
30
-
ߣ
Φ
߮
xiv
Bab I Pendahuluan
I.1 Pendahuluan Piranti photovoltaic didasarkan pada konsep separasi antara dua material dengan perbedaan mekanisme konduksi. Kini, piranti ini banyak didominasi oleh solid state junction device yang menggunakan bahan silikon. Alat ini mempunyai potensi profit yang tinggi dan tersedia luas dalam industri semikonduktor. Namun, dominasi penggunaan alat ini perlahan mulai berubah seiring dengan ditemukannya generasi solar sel ketiga. Solar sel terbaru ini tersusun atas nanokristalin dan film polimer konduktif. Alat terbaru ini memiliki fitur menarik dengan biaya produksi yang murah (Gratzel, 2003). Dengan demikian, sangat memungkinkan bagi pemilik pasar untuk meninggalkan solar sel dengan jenis solid state junction device. Alat ini dinamakan dye sensitized solar cells atau sering disingkat DSSC. Dye sensitized solar cells (DSSC) merupakan generasi ketiga solar sel yang dikembangkan mulai tahun 1991 oleh Gratzel (Bei dkk, 2010). Teknologi ini mampu mengkonversi energi cahaya menjadi listrik dengan menggunakan prinsip fotoelektrokimia (Gratzel, 2003; Nazeeruddin dkk, 2011). Bahan semikonduktor terbaik yang sering digunakan dalam pembuatan DSSC adalah TiO2 (Gratzel, 2003). Fotosensitizer sebagai bahan berpigmen aktif digunakan sebagai piranti pokok yang mendukung kinerja serapan gelombang DSSC (Narayan dkk, 2012). Konversi foton menjadi pasangan elektron-hole terjadi pada gugus kromofor molekul dye (Ooyama dkk, 2009). Dalam aplikasi DSSC, pigmen ini dibagi ke dalam tiga kategori yaitu bahan organik natural dye, organik sintesis dye, dan dye kompleks logam (Ooyama dkk, 2009; Narayan dkk, 2012; Nazeeruddin dkk, 2011; Sokolsky dkk, 2011). Perbedaan DSSC dengan solar sel semikonduktor yang lainnya adalah cahaya matahari tidak hanya diabsorpsi oleh TiO2 namun juga oleh dye. Selain itu, pasangan elektron-hole tidak dipisahkan oleh perbedaan potensial p-n junction. Ketika DSSC disinari cahaya matahari, timbul insiden foton membentuk pasangan elektron-hole pada dye sensitizer. Elektron berpindah melalui oksida nanopartikel karena adanya perbedaan level energi. Di sisi lain, hole berpindah menuju 1
elektrode lawan melalui tahapan reaksi redoks dalam elektrolit (Lee dkk, 2011; Tobin dkk, 2011). Salah satu perkembangan piranti ini berfokus pada sensitizer dye berbahan organik natural (Gratzel, 2003; Lee dkk, 2011; Narayan dkk, 2012; Zhou dkk, 2011; Nazeeruddin dkk, 2011). Beberapa kelebihan bahan natural dye dibandingkan dengan bahan organik sintesis dan kompleks logam lainnya adalah tersedia melimpah, mudah dibuat, murah, tidak beracun, ramah lingkungan, dan biodegradable (Narayan dkk, 2012; Zhou dkk, 2011; Oprea dkk, 2012). Absorpsi gelombang cahaya, konversi energi cahaya matahari oleh molekul dye, dan ikatan molekul dye pada permukaan semikonduktor merupakan kunci penting pengembangan natural dye pada aplikasi DSSC (Lai dkk, 2007; Bei, 2010). Berdasarkan penelitian sebelumnya, beberapa hal yang membedakan DSSC dengan bahan organik dye natural, dye sintesis organik, dan dye kompleks logam dijelaskan pada tabel I.1 di bawah: Tabel I.1 Perbedaan DSSC dengan berbagai bahan pewarna dasar
Efisiensi tertinggi Komponen Dampak lingkungan Harga Pembuatan
Dye Kompleks Logama 13% Logam transisisenyawa organik Tidak ramah lingkungan, Limbah berbahaya Sangat mahal
Dye Organikb
Dye Naturalc
9,5%
0,70%*
Senyawa organik sintesis Kurang ramah lingkungan
Senyawa organik bahan alam Ramah lingkungan
Relatif lebih murah Pengembangan donor-junctionacceptor
Tersedia melimpah
Multi tahap Ekstraksi atau sintesis isolasi senyawa donor anorganik dari metabolit sekunder akseptororganik * nilai tertinggi efisiensi DSSC dengan natural dye tanpa proses pemurnian dalam kondisi pH asam, menggunakan TiO2 nanopartikel, elektrolit I-/I3- dalam pelarut asetonitril, dan elektrode lawan platina nanopartikel a. (Lee dkk, 2011; Nazeeruddin dkk, 2011) b. (Ooyama dkk, 2009) c. (Wongcharee dkk, 2007) Pokok perhatian dalam penelitian ini adalah masalah efisiensi DSSC berbahan natural dye yang jauh lebih rendah dibandingkan dua jenis bahan lainnya. Masalah 2
tersebut disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya absorbansi rendah, rekombinasi yang cepat, ikatan dye dengan semikonduktor yang lemah, dan stabilitas dye yang kurang baik (Lee dkk, 2011; Zhou dkk, 2011; Narayan, 2012; Hao dkk, 2006; Furukawa dkk, 2006; Listorti dkk, 2011; Nazeeruddin, 2011). Oleh karena itu, beberapa upaya diperlukan untuk meningkatkan performansi DSSC berbahan dasar natural dye diantaranya peningkatan stabilitas dye dengan metode perendaman beberapa minggu (Lai dkk, 2007), pemurnian dye (Lai dkk, 2007), penambahan gugus kromofor (Ortiz dkk, 2009; Chang dkk, 2010), meningkatkan keasaman pelarut (Chang dkk, 2010; Senthil dkk, 2011), meningkatkan temperatur ekstraksi (Wongcharee dkk, 2007), penggunaan beberapa pelarut (Wongcharee dkk, 2007), pencampuran beberapa dye (Kumara dkk, 2005), penambahan koadsorpsi asam asetat (Kumara dkk, 2005) dan optimasi struktur dye (Zhou dkk, 2011). Pada penelitian ini, prototipe DSSC dengan natural dye berbahan dasar antosianin, klorofil, dan karotenoid akan diuji efisiensinya. Saat proses pembuatan, dilakukan analisis kalsinasi TiO2 pada proses pemanasan 450oC diuji menggunakan XRD, SEM, dan analisis natural dye diuji menggunakan UV-Vis dan FTIR. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi hasil penelitian, diantaranya pH larutan, pelarut, jenis natural dye, kemampuan absorbansi natural dye, dan waktu pengukuran performansi DSSC. Asumsi yang digunakan selama proses penelitian adalah struktur dan ketebalan semikonduktor TiO2 yang digunakan sama, volume elektrolit yang diinjeksikan sama, konsentrasi larutan sama, struktur dan ketebalan elektrode lawan Pt yang digunakan sama, dan intensitas solar simulator yang digunakan dalam proses pengujian efisiensi DSSC konstan. Kontribusi hasil penelitian ini adalah mendapatkan dan meningkatkan kemampuan ekstrak natural dye baru berbahan pewarna dasar antosianin, klorofil, dan karotenoid yang memiliki potensi besar sebagai fotosensitizer untuk DSSC. I.2 Latar Belakang Berdasarkan paparan pada bagian pendahuluan, diperoleh pokok masalah yang telah disampaikan oleh ahli diantaranya absorbansi rendah, cepat terjadi rekombinasi, ikatan dye dengan semikonduktor yang lemah, dan stabilitas dye
3
yang kurang baik. Semua faktor tersebut berpengaruh pada efisiensi natural dye DSSC yang lebih kecil dibandingkan dengan DSSC berbahan dye lainnya. Usaha untuk menyelesaikan masalah tersebut sudah pernah dilakukan oleh peneliti sebelumnya ditunjukkan pada tabel di bawah ini: Tabel I.2 Penelitian yang berhubungan dengan topik penelitian Penulis Jurnal
Tahun Topik
Isi
Kelebihan
Kekurangan
Hermalatha dkk
Kushwaha dkk
Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy Elsevier
IEEE Journal of Photovoltaic
Journal of Photonics for Energy SPIE
Journal of Solar Tesis program Energy Elsevier magister teknik fisika ITB
2012
2012
2012
2012
2013
Natural Dye Sensitized Solar Cells Using Pigments Extracted from Syzygium guineense
Anthocyanins and Betalains as LightHarvesting Pigment for Dye Sensitized Solar Cells
Performansi Dye Sensitized Solar Cell Bahan Dasar Pewarna Natural Antosianin, Klorofil, dan Karotenoid
1. Analisis UVVis antosianin 2. Analisis performansi DSSC dengan berbagai pelarut 3. Proses pemurnian bertingkat ekstraksi dye
1. Analisis UVVis, IPCE, LHE, APCE antosianin dan betalain 2. Analisis performansi DSSC dengan berbagai elektrolit
Performance of Kerria japonica and Rosa chinensis flower dye as Sensitizers for Dye Sensitized Solar Cells 1. Analisis UVVis dan FTIR bahan antosianin dan karotenoid 2. Efisiensi antosianin 0,29% 3. Efisiensi karotenoid 0,29%
Natural Alkannin and Anthocyanins as Photosensitizer for Dye Sensitized Solar Cells 1. Analisis UVVis 2. Analisis rapat arus terhadap waktu 3. Analisis rapat arus terhadap illuminansi 4. Natural dye alkanin dan antosianin 1. Penambahan 1. Dye alkanin gula sebagai baru koadsorpsi dye 2. Semua nilai pada karotenoid fill factor meningkatkan natural dye lebih dari 55% efisiensi menggunakan 2. Efisiensi maksimal porous ZnO 0,29% Penambahan Tidak gula pada menganalisis antosianin nilai efisiensi mengurangi akhir efisiensi
Tadesse dkk
Calogero dkk
Eka Cahya Prima
1. Analisis efisiensi, FF, Jsc – waktu 2. Analisis tingkat keasaman dye- efisiensi 3. Analisis efisiensi DSSC dengan pencampuran dye 4. Analisis stabilitas dye 1. Efisiensi 1. Zat aditif 1. Diperoleh dye tertinggi 0,51% untuk baru potensial dengan pelarut meningkatkan untuk DSSC etanol Voc 2. Penggabungan 2. Semakin asam 2. Perakitan beberapa dye pelarut dye, DSSC lingkaran meningkatkan semakin besar efisiensi 3. Efisiensi efisiensi yang maksimal 3. Efisiensi diperoleh maksimal 0,76% 2,06% Tahapan proses Aktif area Belum dilakukan pemurnian DSSC sangat modifikasi panjang kecil 0,2 cm2 natural dye, elektrolit, dan elektrode TiO2 lebih lanjut
4
Berdasarkan keterangan pada tabel di atas, usaha peningkatan performansi DSSC menggunakan dye natural telah dilakukan dengan penambahan gugus koadsorpsi dan zat aditif piridin (Hermalatha dkk, 2012; Calogero dkk, 2012), penggunaan beberapa pelarut (Sreekala dkk, 2012), dan proses pemurnian bertahap (Tadesse dkk, 2012). Pada penelitian ini, beberapa upaya dilakukan untuk meningkatkan performansi DSSC diantaranya melalui proses ekstraksi natural dye selama dua minggu (Lai dkk, 2007), pengaturan tingkat keasaman dye (Furukawa dkk, 2009), penambahan gugus koadsorpsi 2% asam asetat (Calogero dkk, 2008), dan proses pencampuran dye (Chang dkk, 2010). Originalitas penelitian ini adalah penggunaan natural dye baru yang belum pernah terpublikasi sebelumnya digunakan sebagai fotosensitizer untuk aplikasi DSSC diantaranya kulit jeruk medan Citrus sinesis (L.), kulit pisang tanduk Musa sapientum, alang-alang Imperata cylindrica (L.) Beauv, bunga rumput liar Ipomea pescaprea, genjoran Paspalum conjugatum Berg, dan kulit salak Salacca zalacca. I.3 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang tersebut, diperoleh rumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana efisiensi DSSC menggunakan fotosensitizer natural dye dalam kondisi asam dan netral? 2. Bagaimana efisiensi DSSC menggunakan fotosensitizer natural dye setelah ditambahkan gugus koadsorpsi asam asetat? 3. Bagaimana efisiensi DSSC menggunakan penggabungan dua fotosensitizer natural dye? 4. Bagaimana pengaruh perubahan densitas arus pendek dan fill factor terhadap efisiensi DSSC? 5. Bagaimana stabilitas efisiensi DSSC setelah diuji selama satu bulan? I.4 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini yaitu: 1. Pelarut yang digunakan dalam penelitian adalah etanol dengan perbandingan massa pelarut dan bahan 3:1. 2. Zat pengaturan tingkat keasaman dan penambahan gugus koadsorpsi yang digunakan adalah HCl dan asam asetat 2%.
5
3. Ekstraksi dilakukan selama 2 minggu dalam temperatur ruang 25oC dan dalam kondisi gelap. 4. Komponen yang digunakan untuk setiap sel adalah fotoelektrode TiO2 nanopartikel dengan ketebalan 5 µm dan luas area 0,75 cm2, 15 µL elektrolit EL-141, elektrode lawan film tipis Pt, dan kaca konduktif ITO. 5. Perendaman TiO2 dalam fotosensitizer natural dye dilakukan selama 1 hari dalam kondisi gelap. 6. Pengujian efisiensi setelah DSSC diletakkan di bawah solar simulator lampu halogen dengan intensitas 36 mW/cm2 selama 90 menit. I.5 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh penggunaan fotosensitizer natural dye dalam kondisi asam dan netral terhadap peningkatan efisiensi DSSC. 2. Mengetahui pengaruh penambahan gugus koadsorpsi fotosensitizer pada natural dye terhadap peningkatan efisiensi DSSC. 3. Mengetahui pengaruh penggabungan beberapa fotosensitizer natural dye terhadap peningkatan efisiensi DSSC. 4. Mengetahui karakteristik perubahan densitas arus pendek dan fill factor terhadap efisiensi DSSC. 5. Mengetahui karakteristik stabilitas efisiensi DSSC setelah diuji selama satu bulan. I.6 Sasaran Penelitian Sasaran penelitian ini adalah mendapatkan efisiensi DSSC menggunakan natural dye yang lebih dari 0,6%. I.7 Hipotesis Hipotesis penelitian ini adalah efisiensi DSSC dengan natural dye pada kondisi asam lebih tinggi dibandingkan dengan natural dye pada kondisi netral, penggabungan fotosensitizer dan penambahan gugus koadsorpsi pada natural dye mampu meningkatkan efisiensi DSSC.
6
I.8 Sistematika Laporan tesis ini terbagi menjadi lima bagian: Bab 1 Pendahuluan Bab ini membahas tentang pendahuluan, latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, sasaran penelitian, hipotesis, dan sistematika. Bab 2 Tinjauan Pustaka Bab ini membahas tentang AM 1,5 global solar spektrum, dye sensitized solar cells, dan natural dye sensitizer DSSC. Bab 3 Metode Penelitian Bab ini berisi tentang lokasi penelitian, alat dan bahan penelitian, metode penelitian, preparasi dye sensitizer DSSC, preparasi fotoelektrode, elektrode lawan, dan elektrolit, perakitan DSSC, serta karakterisasi DSSC. Bab 4 Hasil Penelitian dan Diskusi Pada bab ini dibahas tentang identifikasi jenis dye hasil sintesis, analisis absorbansi gelombang natural dye sensitizer, analisis nanopartikel elektrode TiO2, dan analisis performansi DSSC berbasis natural dye sensitizer. Bab 5 Kesimpulan Bab ini berisi kesimpulan penelitian serta saran untuk pengembangan selanjutnya.
7
Bab II Tinjauan Pustaka
II.1 AM 1,5 Global Solar Spektrum Pada pengujiann solar sel, spektrum matahari global air mass 1,5 dengan intensitas 100 mW/cm2 dan temperatur kerja 25oC merupakan standar referensi spektrum matahari standar (Dominici dkk, 2011). Performansi solar sel diukur pada waktu dan tempat yang berbeda dibandingkan dibandingkan dengan spektrum AM 1,5. Ketika cahaya matahari melewati atmosfer, cahaya tersebut akan diabsorpsi dia sorpsi dan menembus air, karbon dioksida, ozon, dan zat lain. Hasil spektrum kontinyu tersebut membentuk beberapa puncak pada beberapa panjang gelombang, khususnya khususny pada daerah gelombang infra merah. Selain itu, sebagai hasil dari proses absorpsi dan refleksi gelombang yang terjadi, rata-rata rata rata energi yang diterima oleh bumi mendekati 100 mW/cm2 (Sun, Sun, 2009).
Gambar II.1
Spektrum Solar Simulator dari PV Measurement,, Inc. dibandingkan dengan AM 1,5 Global (Sun, 2009)
Air mass (AM) merupakan istilah yang digunakan dalam astronomi untuk menjelaskan efek dari atmosfer bumi pada spektrum iradiasi matahari. AM 1,0 1, didefinisikan sebagai panjang panjang atmosfer yang dilalui matahari tegak lurus menuju bagian terpendek atmosfer dimana cahaya radiasi matahari secara vertikal mengenai tanah. Istilah air mass (AM) sering digunakan untuk menjelaskan efisiensi konversi spesifik atau efisiensi fundamental fundamental suatu solar sel. Hal tersebut merupakan intensitas dan distribusi spektral yang dihasilkan dari panjang gelombang matahari yang melalui atmosfer. atmosfer Proses absorpsi mengurangi insiden iradiasi dan mengubahnya menjadi energi termal di atmosfer (Jha, 2010). Air mass dihitung dengan menggunakan persamaan (1):
8
AM = 1/cos θ
(1)
Dimana, θ merupakan sudut zenit matahari yang menunjukkan sudut antara garis normal permukaan bumi dan insiden cahaya matahari. Ketika θ bernilai 0o, radiasi matahari secara vertikal menuju tanah dan nilai air mass-nya adalah 1 (AM 1,0), ketika θ bernilai 48,19o, nilai air mass adalah 1,5 (AM 1,5). Ketika matahari terbit dan terbenam, Z = 90° dan AM ≈38 (Bailey dkk, 2010). Skema definisi air mass dijelaskan pada gambar II.2 di bawah ini:
Gambar II.2
Skema definisi air mass (Sun, 2009)
Terdapat dua definisi spektrum AM 1,5. Pertama spektrum AM 1,5 langsung dan kedua spektrum total atau spektrum global AM 1,5. Spektrum AM 1,5 langsung hanya meliputi insiden cahaya langsung dari matahari, sedangkan spektrum global AM 1,5 meliputi insiden cahaya langsung dan hamburan cahaya (Sun, 2009). II.2 Dye Sensitized Solar Cells Efek fotovoltaik oleh dye pertama kali ditemukan sekitar mendekati abad ke 19. Pada bulan Juni 1887 setengah abad setelah Becquerel menemukan efek fotovoltaik, Dr. Moser dari laboratorium kimia fisik Vienna University melaporkan pertama kali dye sensitized photoelectric effect. Pada tahun 1960, eksperimen
pertama
kali
dilakukan
menggunakan
elektrode
tunggal
semikonduktor kristal yang dilarutkan ke dalam larutan dye. Dan pada pertengahan tahun 1980, Professor Grätzel melakukan penelitian di Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne (EPFL), Switzerland, menemukan dasar utama dibalik pengembangan dye sensitized solar cells. Performansi solar sel dapat ditingkatkan diantaranya dengan meningkatkan respon spektral dye terhadap iradiasi
cahaya
serta
pengaturan
luas
area permukaan
semikonduktor TiO2 (Wolfbauer, 1999; Nazeeruddin dkk, 2011).
9
dan
ketebalan
Dye sensitized solar cell (DSSC) adalah solar sel semikonduktor yang secara langsung mengubah sebagian radiasi matahari menjadi arus listrik menggunakan prinsip fotoelektrokimia (Gong dkk, 2012; Tobin dkk, 2010; Gratzel, 2003). DSSC menarik untuk diteliti karena materialnya mudah diperoleh, biaya produksinya murah dan pembuatannya lebih mudah dibandingkan dengan solar sel semikonduktor konvensional (Garcia dkk, 2003; Yuliarto dkk, 2010). Perbedaan DSSC dengan solar sel solid state yang lainnya adalah cahaya matahari tidak hanya diabsorpsi oleh TiO2 namun juga oleh dye sedangkan pada solar sel solid state, semikonduktor digunakan sebagai pemisah muatan. Selain itu, dalam solar sel solid state, pengaruh medan listrik penting untuk proses terjadinya pemisahan muatan yang dibentuk oleh p-n junction, sedangkan pada DSSC pasangan elektron-hole tidak dipisahkan oleh perbedaan potensial p-n junction, namun dipisahkan oleh fotosensitizer. Pada solar sel solid state, muatan (hole dan elektron) memerlukan difusi dalam semikonduktor menuju back contact. Dalam DSSC, hanya pembawa muatan yang berdifusi dalam semikonduktor TiO2 dan hole tetap diam pada permukaan namun memerlukan difusi larutan sebagai mediator muatan. (Lee dkk, 2011). Di sisi lain dalam hal difusi cahaya, solar sel solid state hanya beroperasi dengan baik jika di bawah pencahayaan langsung (tegak lurus), hal ini diakibatkan oleh banyak terjadinya refleksi cahaya karena tingkat kekasaran materialnya yang rendah. Di samping itu, DSSC menggunakan permukaan TiO2 yang kasar, sehingga refleksi pada permukaan dapat diminimalisir (Wolfbauer, 1999). Prinsip DSSC mirip dengan prinsip fotosintesis (Connell dkk, 2010). Semikonduktor TiO2 berperan menggantikan nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+), dan karbondioksida digantikan oleh electron acceptor. Iodida dan triiodida (I−/I3−) menggantikan air dan oksigen dalam fotosintesis yang bertindak sebagai elektron donor dan produk oksidasi (Tobin dkk, 2010). Diagram level energi fotosistem I dan II serta dye sensitized solar cell menggunakan dye N3 dijelaskan pada gambar II.3 di bawah ini:
10
Gambar II.3
Diagram level energi fotosistem I dan II serta dye sensitized solar cell menggunakan dye N3 (Connell dkk, 2010)
Beberapa kunci yang menjadi komponen penting dalam konversi radiasi solar diantaranya light harvesting, separasi muatan, dan katalisis. Pada DSSC, penangkapan cahaya meliputi transisi metal to ligand charge transfer (MLCT) pada molekul dye yang terikat pada molekul film tipis TiO2. Molekul dye tersebut dimodifikasi untuk meningkatkan kapasitas penangkapan cahaya hingga menuju daerah infra merah. Separasi muatan DSSC menggunakan model konversi energi donor-akseptor. Model tersebut ditunjukkan pada gambar II.4 di bawah:
Gambar II. 4 Desain struktur metal-free organic dye (Gong dkk, 2012; Ooyama dkk, 2009; Lee dkk, 2011) Stabilisasi separasi muatan elektronik dapat diperoleh melalui transfer elektron dari donor elektron menuju akseptor elektron (Connell dkk, 2010). II.2.1 Komponen-komponen DSSC terdiri dari beberapa komponen diantaranya: (a) anoda transparan terbuat dari lapisan gelas yang terdeposisi lapisan transparent conductive oxide TCO atau indium tin oxide ITO; (b) lapisan semikonduktor mesoporus oksida (biasanya TiO2) yang terdeposisi di atas anoda yang berfungsi sebagai fotoelektrode activate electronic conduction; (c) molekul dye yang terikat kovalen di atas lapisan
11
semikonduktor mesoporus oksida untuk meningkatkan absorpsi cahaya; (d) elektrolit redoks mediator yang berfungsi untuk meregenerasi dye; serta (e) elektrode lawan (biasanya platinum) sebagai katalis untuk memfasilitasi penangkapan elektron (Gong dkk, 2012). a. Indium Tin Oxide Salah satu bagian dari film oksida semikonduktor, substrat transparan konduktif memegang peranan penting dalam menunjang performansi DSSC. Lapisan tersebut merupakan film tipis yang berfungsi sebagai kolektor muatan dan mendukung lapisan semikondutor pada DSSC. Bagian ini memiliki dua syarat penting diantaranya memiliki transmitansi optik yang tinggi yang memungkinkan cahaya matahari masuk melewati bagian material penangkap cahaya aktif tanpa terjadi absorpsi spektrum cahaya, dan memiliki resistivitas kecil dimana mampu memfasilitasi proses transfer elektron dan mengurangi kehilangan energi (Gong dkk, 2012). Film indium tin oxide (ITO, In2O3:SnO2) tampak memiliki transmitansi ideal (koefisien transmitansi lebih dari 80%) dan resistivitas 10-4 Ω.cm pada temperatur ruang, sehingga material ini secara umum digunakan sebagai transparent conducting oxide dalam devais optoelectronic. Terdapat beberapa catatan penting bahwa sifat kelistrikan film ITO bergantung pada proses sintesis. In2O3:Sn yang disintesis dari In2(SO4)3.nH2O and SnSO4 dengan metode perendaman menghasilkan resistivitas 6–8 x 10-4 Ω.cm. Nilai resistivitas yang rendah dihasilkan dari sejumlah rapat pembawa muatan bebas yang disebabkan oleh (i) substitusi atom indium In oleh atom Sn yang melepaskan sebuah elektron tambahan, dan (ii) valensi atom oksigen yang memberikan dua elektron donor. Selain itu, nilai resistivitas dapat meningkat selama proses kalsinasi dalam fabrikasi DSSC (Gong dkk, 2012). Fabrikasi fotoelektrode DSSC meliputi proses pelapisan dan kalsinasi pasta TiO2 di atas substrat konduktif pada temperatur tinggi sekitar 450oC untuk meningkatkan kontak elektronik. Ketika film ITO dipanaskan di atas temperatur 300oC, nilai resistansi akan meningkat secara drastis, dan mengakibatkan pada penurunan efisiensi devais karena peningkatan tersebut akan berdampak pada turunnya rapat pembawa muatan. Ketika film ITO dipanaskan pada temperatur
12
tinggi, (i) diikuti dengan cacat kisi ion Sn4+ di dalam In3+ site, (ii) atom oksigen di atmosfer akan mulai mengisi valensi oksigen yang berfungsi sebagai penyedia elektron. Untuk mengurangi hilangnya pembawa muatan pada temperatur tinggi, biasanya digunakan struktur double layer untuk memperoleh stabilitas substrat ITO terhadap termal. Beberapa lapisan tipis logam oksida, seperti ATO (SnO2:Sb antimony-doped tin oxide), AZO (aluminum-doped zinc oxide), dan SnO2 disputtering di atas permukaan ITO membentuk double layer yang mampu menghasilkan struktur yang lebih baik daripada single layer ITO (Lee dkk, 2011). b. Elektrolit Redoks Elektrolit redoks berfungsi sebagai pembawa muatan yang mengumpulkan elektron pada katode dan mengangkut elektron kembali menuju molekul dye. Elektrolit
yang
umumnya
banyak
digunakan
adalah
pasangan
redoks
iodida/triiodida (I-/I3-) dalam matriks organik yang umumnya digunakan acetonitrile. Oleh karena itu, keberadaan elektrolit ini berdampak signifikan pada ketahanan devais jangka panjang dan stabilitas operasionalnya. Sebagai contoh, kebocoran pelarut organik yang bersifat toksik bukan hanya akan menyebabkan dampak lingkungan, namun juga penguapan ion iodin akan meningkatkan resistansi internal secara keseluruhan dengan berkurangnya konsentrasi pembawa muatan. Untuk mengatasi masalah tersebut, biasanya dilakukan penelitian untuk mengembangkan non-traditional electrolytes seperti room temperature ionic liquids (RTILs), quasi-solid state dan solid state electrolytes (Gong dkk, 2012). Suatu mediator transfer elektron yang efisien harus memenuhi beberapa kriteria diantaranya: (i) fotoeksitasi dye menginjeksi elektron sebelum bereaksi dengan elektrolit; (ii) setelah terjadi injeksi elektron, dye teroksidasi harus segera tereduksi oleh elektrolit sebelum terjadinya rekombinasi dengan elektron dari molekul dye lainnya; (iii) reduksi ion dalam elektrolit bereaksi dengan lambat dengan elektron baik dari semikonduktor TiO2 maupun lapisan ITO; (iv) laju reaksi reduksi ion teroksidasi pada katode berlangsung dengan cepat (Sapp dkk, 2002). Elektrolit yang paling banyak digunakan untuk aplikasi DSSC saat ini adalah ion iodida/triiodida (I-/I3-), bahan ini bekerja dengan baik dengan kinetika reaksi seperti dijelaskan pada gambar II.5 di bawah ini (Boschloo dkk, 2009):
13
Gambar II.5 Kinetika fotosensitizer cis-Ru(dcbpy)2(NCS)2- TiO2 solar sel dengan mediator elektrolit redoks I-/I3- (Boschloo dkk, 2009) Injeksi elektron menuju pita konduksi TiO2 terjadi dalam kisaran waktu femtosekon harus lebih cepat dibandingkan dengan rekombinasi elektron dengan ion triiodida I3-, dye teroksidasi cenderung lebih mudah bereaksi dengan ion iodida I- dibandingkan dengan terjadinya injeksi elektron. Di dalam elektrolit, ion triiodida I3- berdifusi menuju untuk menangkap elektron dan kembali membentuk ion iodida I-. Arah difusi tersebut berlawanan arah dengan arah menuju elektrode TiO2 untuk meregenerasi molekul dye. Koefisien difusi ion triiodida I3- di dalam struktur porus TiO2 sekitar 7,6 x 10-6 cm2/s (Huang dkk, 1997). Salah satu isu penting dalam penggunaan pasangan redoks I-/I3 -adalah konsentrasi iodin. Pada konsentrasi yang rendah, sulit untuk menjaga konduktivitas elektrolit dan cepat terjadi reaksi redoks. Di satu sisi, ketika konsentrasi iodin tinggi lebih mudah terjadinya rekombinasi elektron pada interface TiO2 sehingga berpengaruh pada performansi DSSC. Selain itu, terjadi pula peningkatan absopsi cahaya oleh pasangan redoks (Zanni dkk, 1999). Beberapa usaha yang pernah dilakukan untuk menekan terjadinya rekombinasi diantaranya dengan menambahkan zat aditif pada elektrolit seperti 4-tert-butyl pyridine (4TBP) (Boschloo dkk, 2006), dan
methylbenzimidazole (MBI)
(Kopidakis dkk, 2006). Zat aditif tersebut dapat memperbaiki efisiensi dan stabilitas DSSC, namun zat tersebut tidak berpartisipasi dalam proses penting fotoelektrokimia. Mekanisme yang paling memungkinkan adalah ketika ditambahkan zat aditif pada permukaan TiO2 akan mengurangi site dan menjaga tidak terjadi kontak dengan molekul akseptor elektron (Zhang dkk, 2007). Kerugian elektrolit cair berpengaruh terhadap keterbatasan stabilitas DSSC karena cairan akan menguap ketika penyekatan solar sel tidak sempurna. Penetrasi air
14
atau molekul oksigen menyebabkan performansi solar sel menurun. Elektrolit cair juga membuat konstruksi modifikasi multi sel menjadi lebih sulit karena sel harus terhubung secara elektrik dan kimia khususnya pada substrat tunggal. Dibandingkan dengan elektrolit polimer, mediator elektrolit cair menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dan mampu digunakan secara praktis di masa depan dengan sistem enkapsulasi yang lebih baik (Lin dkk, 2006). c. Fotosensitizer Fotosensitisasi dapat diperoleh melalui fotosensitizer yang mengabsorpsi cahaya kemudian mengubahnya menjadi energi (Larson dkk, 1992). Di dalam siklusnya, fotosensitizer dapat teradsopsi di atas permukaan semikonduktor melalui ikatan elektrostatik, hidrofobik, atau interaksi kimia. Selama eksitasi, terjadi injeksi elektron menuju pita konduksi semikonduktor (Kathiravan dkk, 2009). Terdapat tiga jenis fotosensitizer diantaranya inorganik sensitizer (Jing dkk, 2007), dye organik dan dye koordinasi logam kompleks (Sauv´e dkk, 2000). Fotosensitizer yang baik harus memenuhi beberapa persyaratan diantaranya: (1) memiliki intensitas absorpsi cahaya tampak yang tinggi; (2) teradsorpsi dengan kuat pada permukaan semikonduktor (Park dkk, 2013); (3) elektron harus terinjeksi secara efisien menuju pita konduksi semikonduktor, sehingga level energi LUMO pada dye harus lebih besar (lebih negatif) daripada pita konduksi elektrode TiO2. Di sisi lain, untuk mempercepat regenerasi dye teroksidasi melalui transfer elektron dari pasangan redoks, level energi HOMO harus lebih kecil (lebih positif) dibandingkan dengan potensial redoks I-/I3- (Ooyama dkk, 2009); (4) memiliki gugus hidroksil, karboksil, fosponat, silil, asetil yang mampu mengikat Ti(IV) site pada permukaan TiO2 (Narayan dkk, 2012). Selain itu, terdapat faktor lain yang berkaitan dengan dye diantaranya: (1) Molekul mengabsorpsi insiden foton dengan efisien dan terjadi pemisahan antara elektron dan hole (Lee dkk, 2011); (2) foton membentuk pasangan elektron hole akibat kondensasi gugus hidroksil pada permukaan TiO2 (Zhou dkk, 2011); (3) Mencegah terjadinya rekombinasi interfasial akibat perbedaan transpor hole dan elektron (Lee dkk, 2011).
15
Dye pada elektrode semikonduktor TiO2 mengabsorpsi cahaya dengan rentang gelombang yang lebih lebar dibandingkan dengan TiO2 dengan metode fotosensitisasi seperti dijelaskan pada persamaan di bawah ini (Fung dkk, 2003): S + hv S* S* + M S+ + eS* + X S+ + XS* + Z S- + Z +
(2) (3) (4) (5)
Keterangan S = sensitizer S* = sensitizer tereksitasi
S+ = sensitizer kekurangan elektron S- = sensitizer kelebihan elektron
Molekul tereksitasi melalui fotoelektrokimia akan mendonorkan elektron ke medium M (TiO2) atau molekul lain yang bertindak sebagai akseptor X atau mungkin bertindak sebagai akseptor elektron ketika terdapat donor elektron Z (Larson dkk, 1992). Natural dye diekstrak dari pigmen tumbuhan. Beberapa pigmen yang terdapat pada tumbuhan tersebut dijelaskan pada tabel II.1 di bawah ini (Narayan, 2012): Tabel II.1 Pigmen pada tumbuhan Pigmen Betalain Karotenoid Klorofil Flavonoid
Jenis Betacyanin Betaxanthins Carotenes Xantophylls Klorofil A dan B Anthocyanins Aurones Flavonoid Proanthocyanidins
Penjelasan Terdapat pada jamur dan caryophyllates Pada pohon dan bakteri fotosintesis Terdapat pada beberapa burung, ikan, dan kerang Semua tumbuhan fotosintesis Terdapat pada tumbuhan angiospermae dan gymnospermae
i) Metode peningkatan efek fotosensitisasi Beberapa hasil penelitian menyatakan bahwa efek fotosensitisasi tidak hanya dipengaruhi oleh struktur kimia dan jenis sensitizer, namun juga dipengaruhi oleh kondisi eksperimental seperti konsentrasi oksigen terlarut dan kontaminan (Escalada dkk, 2006). Hal tersebut dapat ditingkatkan melalui peningkatan waktu fotosensitisasi sensitizer dalam pelarut. Selain itu, dapat dilakukan dengan pengaturan nilai pH, penambahan ion logam sebagai agen kompleks, dan derivatisasi gugus fungsional sensitizer (Cui dkk, 2001; Kuo dkk, 2011). Efisiensi injeksi elektron sensitizer melalui semikonduktor nanokristalin dengan pita lebar menentukan sistem fotosensitisasi tidak hanya dipengaruhi oleh properti intrinsik seperti level energi (Cojocaru dkk, 2009) dan lifetime level eksitasi, namun juga 16
bagaimana cara keduanya berikatan (Dhanalakshmi dkk, 2001) seperti keduanya terikat secara fisika dan kimia, anchoring group,, dan jarak struktur dye dari permukaan nanokristalin (Chen dkk, 2005; Tennakone dkk, 2001).. ii) Modifikasi sensitizer itizer Beberapa pa usaha yang dapat dilakukan untuk meningkatkan performansi fotosentitizer diantaranya: 1.
Meningkatkan HOMO dengan inkorporasi strong-ߪ-ligand ligand donor atau mengurangi LUMO pada ligand anchor (Kar dkk, 2009).
2.
Memodifikasi grup anchor (Chen dkk, 2005).. Grup anchor sangat bergantung pada jenis pelarut dan dan kehadiran kompetisi adsorbat seperti donor elektron dan elektrolit. elektrolit Gugus fungsi karboksil (Bae dkk, 2006; 2006 Tekerek dkk, 2011), posfat (Cheung dkk, 1998), 1998) sulfonat (Chen dkk, 2005), 2005) asetil (Larson dkk, 1992),, dan silil sil (Fung dkk, 2003) membentuk ikatan kovalen dengan TiO2 seperti ditunjukkan pada gambar II.6 di bawah ini:
Gambar II. 6 Beberapa cara yang digunakan bagi molekul untuk berikatan dengan permukaan oksida dan non oksida oksida (Kalyanasundaram dkk, 1998) Selain berikatan secara kovalen, molekul pun berikatan secara fisika dan kimia seperti ditunjukkan pada gambar gam II.7 di bawah ini:
17
Gambar II. 7 Skema berbagai cara molekul dapat berikatan pada permukaan permuk (Kalyanasundaram dkk, 1998) 3.
Penurunan nilai pH secara ekstrim m akan menyebabkan dehidrasi gugus karboksil pada dye dan meningkatkan ikatan dye dengan TiO2 namun mengurangi kestabilan tabilan dye (Abe dkk, 2000).
4.
Pemutusan dye teroksidasi dari TiO2 dapat meningkatkan injeksi elektron dan menghalangi transfer balik sehingga meningkatkan efisiensi (Peng dkk, 2008).
5.
Kombinasi sensitizer pada beragam ber spektra ktra meningkatkan efisiensi dengan syarat orbital elektronik kedua sensitizer tidak saling overlap sehingga akan mengurangi transfer elektron dari kedua sensitizer secara bersamaan bersama (Guo dkk, 2005; Ogura dkk, 2009; Park dkk, 2012).
iii) Konsentrasi sensitizer sensi Efek fek fotosensitisasi secara signifikan dipengaruhi oleh konsentrasi sensitizer yang memegang peranan penting dalam jumlah elektron yang ditransfer dari dye tereksitasi menuju pita konduksi semikonduktor. Efek fotosensitisasi meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi sensitizer, namun setelah diteliti lebih lanjut, seiring dengan peningkatan konsentrasi sensitizer ternyata berbanding terbalik dengan efek fotosensitisasi hal ini disebabkan di kan terdapat limit adsorpsi sensitizer pada permukaan fotokatalis fotoka (Bi dkk, 1996;; Yamazaki dkk, 2007). 2007 Sensitizer ensitizer berlebih dalam larutan akan tereksitasi namun tidak dapat terinjeksi menuju pita konduksi fotokatalis (Puangpetch dkk, 2010). Dengan engan demikian, perlu diketahui konsentrasi optimal untuk memfasilitasi reaksi reaksi fotokatalitik (Park dkk, 2013).
18
iv) Nilai pH pelarut Daya adsorpsi dari sensitizer sangat dipengaruhi oleh muatan permukaan, Muatan permukaan TiO2 berubah menjadi positif ketika dalam kondisi asam dan mampu berikatan dengan kuat dengan muatan negatif molekul sensitizer, muatan permukaan TiO2 berubah menjadi negatif dalam kondisi basa dan menarik muatan positif molekul sensitizer (Cho dkk, 2001; Luo dkk, 2009). Pada pelarut air untuk pH dengan tingkat keasaman tinggi, hidrolisis dan dechelation pada anchoring group dari permukaan terjadi. Sehingga setelah terbentuk keseimbangan pada permukaan, laju hidroksilasi menjadi lebih lambat selama beberapa jam dan terjadi dechelation yang mengakibatkan terbatasnya kestabilan fotosensitizer pada jangka panjang (Kalyanasundaram, 1998). d. Elektrode Nanopartikel TiO2 Titanium dioksida (TiO2) tersedia di alam dalam tiga fase polimorf yaitu rutil (tetragonal, space group P42/mnm, Eg ~3,05 eV), anatase (tetragonal, 141/amd, Eg ~3,23 eV) dan brookite (ortorhombik, Pcab, Eg ~3,26 eV). Diantara ketiganya, fase yang paling stabil adalah fase rutil (1,2–2,8 kcal.mol-1 lebih stabil daripada anatase) dan cocok untuk mengabsorpsi spektrum solar. Anatase merupakan fase metastabil dan cenderung berubah menjadi fase rutil pada temperatur tinggi pada kisaran 700-1000oC bergantung ukuran kristal dan tingkat kemurnian. Fase ini mampu mengikat lebih banyak dye dan memiliki koefisien difusi elektron yang lebih tinggi dibandingkan dengan fase rutil. Selain itu, nilai pita konduksi fase anatase 0,1 eV lebih besar dibandingkan dengan fase rutil menghasilkan nilai maksimum tegangan sirkuit terbuka (Voc) yang lebih besar (Gong dkk, 2012; Lee dkk, 2011; Kalyanasundaram dkk, 1998). Tabel II.2 Energi band gap dan potensial flat band semikonduktor tipe n yang umum digunakan dalam sensitisasi dye (Kalyanasundaram dkk, 1998) Semikonduktor (n) ZrO2 SnO2 Nb2O5 TiO2 rutil TiO2 anatase ZnO WO3 -Fe2O3
Eg (eV) 5,0 3,5–3,8 3,4 3,0 3,2 3,0–3,2 2,4–2,8 2,0–2,2
Efb : Ecb (V) (vs. NHE) - 1,78 V (pH 13) + 0,5 (pH 1) – 0,1 V (pH 7) - 0,6 V (pH 7) - 0,05 (pH 2) – 0,6 V (pH 12) - 0,28 (pH 2) - 0,2 (pH 1) -0,4 (pH 4,8) + 0,3 (pH 1) -0,15 sampai +0,05 (pH 9) - 0,1 V (pH 13,6) -0,15 (pH 9) 19
Elektrode nanokristalin TiO2 telah dikembangkan secara luas dalam aplikasi DSSC. Film nanopartikel TiO2 secara teoritis mampu memiliki faktor kekasaran ~1000-2000 untuk total luas film per luas unit substrat. Walaupun faktor kekasaran aktual lebih kecil dari nilai teoritis, peningkatan luas area permukaan internal penting untuk memperbanyak ikatan dengan sensitizer yang mampu menangkap lebih banyak cahaya matahari (Sun, 2009; Beibei dkk, 2010). Di samping berfungsi sebagai pengikat sensitizer, semikonduktor pun berfungsi sebagai kolektor muatan (Narayan, 2012). Untuk memastikan elektron terinjeksi secara efektif dari sensitizer tereksitasi, pita konduksi semikonduktor harus lebih positif dibandingkan dengan potensial sensitizer teroksidasi. Perhatikan prinsip kerja dan diagram level energi pada gambar II.8 di bawah ini:
Gambar II.8
Prinsip kerja dan diagram level energi dyesensitized solar cell. S/S+/S* secara berturut-turut merepresentasikan sensitizer pada keadaan dasar, teroksidasi, dan tereksitasi. R/R− merepresentasikan komponen mediator redoks (I-/I3-) (Sun, 2009) Pada gambar II.8 di atas, level energi pita konduksi semikonduktor yang lebih rendah menyebabkan elektron terinjeksi dari sensitizer tereksitasi menuju semikonduktor. Level fermi semikonduktor merupakan salah satu parameter yang akan menentukan tegangan maksimum teoritis (Sun, 2009). Tingkat
keasaman
menentukan
pita
konduksi
semikonduktor.
Potensial
dipengaruhi oleh proses kinetik transfer muatan yang secara langsung mengatur kinerja devais. Potensial pita konduksi semikonduktor dijelaskan melalui persamaan Nernstein bergantung pada nilai pH pelarut dimana Eo adalah -0,156 V untuk TiO2 anatase, persamaan (6) (Kalyanasundaram dkk 1998; Sun, 2009): E(cb) = Eo – 0,06pH (V vs. NHE)
(6)
Pita konduksi akan berubah -60 mV setiap peningkatan nilai pH, sehingga potensial pita konduksi TiO2 ~-0,5 (V vs. NHE) pada pH = 7. Pada kondisi asam,
20
jumlah dye yang teradsorpsi lebih banyak akibat protonasi permukaan nanopartikel TiO2. Oleh karena itu, derajat protonasi molekul dye memegang peranan penting dalam mempengaruhi performansi solar sel (Lee dkk, 2011). Pada peningkatan konsentrasi H+ dan Li+ akan membuat muatan film TiO2 positif, dan pita konduksi bergeser lebih positif. Level fermi pada semikonduktor dan potensial redoks elektrolit akan berkurang seiring dengan kehadiran Li+. Pergeseran pita konduksi diinduksi oleh ion yang biasanya diikuti oleh gangguan proses kinetika. Seperti contoh, pita konduksi lebih positif seiring dengan peningkatan konsentrasi H+ dan Li+ yang akan mempercepat proses injeksi elektron, meningkat pula arus listrik yang dihasilkan. Sebaliknya pita konduksi yang lebih negatif akan meningkatkan rekombinasi antara elektron pada pita konduksi dengan elektrolit. Keberadaan Li+ yang berinteraksi dengan kisi TiO2 berdampak pada transpor elektron melalui semikonduktor begitu juga proses rekombinasi sebagai akibat interaksi antara elektrolit dengan semikonduktor TiO2 seperti dijelaskan pada gambar II.9 di bawah ini:
Gambar II. 9 Skematik struktur nanokristalin dan injeksi elektron pada dye sensitized solar cell (DSSC) (Hara dkk, 2003) Oleh karena itu, performansi DSSC merupakan hasil dari kompetisi antara proses kinetik injeksi elektron dengan proses rekombinasi (Sun, 2009). Selain parameter diatas, untuk meningkatkan performansi DSSC, terdapat beberapa parameter lain yang mempengaruhi transfer muatan, adsorpsi dye pada TiO2 dan proses regenerasi dye teroksidasi oleh elektrolit diantaranya ketebalan film TiO2 (Lee
21
dkk, 2011), kristalinitas TiO2 (Wang dkk, 2011), bentuk nanopartikel TiO2 (Lee dkk, 2011), dipol permukaan dan level permukaan TiO2 (Beibei dkk, 2010). e. Elektrode Lawan Platina Ion triiodida (I3−) dibentuk dengan mereduksi dye teroksidasi dengan ion iodida (I−), selanjutnya ion tersebut direduksi kembali menjadi ion iodida (I−) pada elektrode lawan. Untuk mereduksi ion tersebut, diperlukan elektrode lawan yang mempunyai aktivitas elektrokatalitik yang tinggi (Hara dkk, 2003). Elektrode lawan yang sering digunakan adalah Patina (Pt). Bahan tersebut umumnya berasal dari larutan H2PtCl6 (dihidrogen heksakloroplatinat (IV)) yang dideposisi di atas ITO dengan metode spin coating maupun sputtering (5–10 µg.cm−2 atau kira-kira memiliki ketebalan 200 nm) (Senthil dkk, 2011; Hara dkk, 2003). Platina merupakan logam stabil yang dapat ditemukan di alam dalam bentuk logam mulia dan hanya bereaksi dengan senyawa tertentu. Selain platina, elektrode yang juga digunakan sebagai elektrode balik dalam aplikasi DSSC adalah elektrode karbon (Raturi dkk, 2010). II.2.2 Prinsip Operasi DSSC Proses transpor muatan pada DSSC dijelaskan pada gambar II.10 di bawah ini:
Gambar II.10 Struktur DSSC dan diagram superposisi pita energi (Lee dan Yang, 2011) Pada gambar II.10 di atas, sebagian besar cahaya ditangkap oleh molekul dye dan terjadi proses elektrokimia. Elektron dan hole di bawah sinar matahari menyebabkan terjadinya kenaikan level energi menuju pita konduksi (garis hitam) dan mediator (garis hijau) berpindah. Kemungkinan terjadinya rekombinasi: R1 (rekombinasi muatan antara ITO dengan mediator), R2 (rekombinasi muatan antara oksidasi dye S+), R3 (rekombinasi muatan antara semikonduktor dengan
22
mediator), R4 (kembali meluruhnya level energi S+), R5 (rekombinasi antara dye dengan mediator), transpor hole dinamakan mass transport pada elektrolit cair dan dinamakan hopping pada padatan dan beberapa quasi-solid elektrolit (Lee dan Yang, 2011). Prinsip operasi DSSC dimulai dengan absorpsi foton oleh fotosensitizer S (Pers. (7)), akibatnya terjadi eksitasi fotosensitizer S* dan elektron terinjeksi menuju pita konduksi semikonduktor. Fotosensitizer yang kehilangan elektron berada dalam keadaan teroksidasi S+ (Pers.(8)). Di sisi lain, dye teroksidasi dikembalikan ke keadaan ground state oleh elektrolit mediator (Pers.(9)) dan terjadi reaksi oksidasi elektrolit
(Pers.(10)).
Kemudian
elektron
terinjeksi
mengalir
melalui
semikonduktor sampai tiba di back contact TCO kemudian melewati external load menuju elektrode lawan dan diterima oleh mediator elektrolit redoks (Pers (11)). (Nazeeruddin dkk, 2011; Phadke, 2010; Yum dkk, 2011; Kim dkk, 2011). Reaksi tersebut secara lengkap dapat dijelaskan sebagai berikut: ܵ(௧ௗ௦௦) + ℎ( ∗ ܵ → ݒ௧ௗ௦௦) ܵ ∗ (௧ௗ௦௦) → ܵ ା (௧ௗ௦௦) + ݁ ି (௧௦) ܵ ା (௧ௗ௦௦) + ݁ ି (ௗ௦ ௗ௧) → ܵ(௧ௗ௦௦) ଷ
ଵ
ܵ ା (௧ௗ௦௦) + ଶ (ܵ → ି ܫ௧ௗ௦௦) + ଶ ܫଷି ଵ ଷି ܫ ଶ
ି
ଷ ି ܫ ଶ (௧ௗ)
+ ݁ (௧ௗ) → Keterangan persamaan: (7) eksitasi dye selama radiasi (8) oksidasi dye menyebabkan injeksi elektron menuju TiO2 (9) dye dikembalikan ke keadaan dasar oleh elektrolit mediator (10) reaksi oksidasi elektrolit (11) reaksi reduksi elektrolit di elektrode lawan
(7) (8) (9) (10) (11)
Beberapa reaksi yang tidak diharapkan dapat menimbulkan kehilangan efisiensi DSSC. Diantaranya diakibatkan oleh rekombinasi elektron terinjeksi pada TiO2 dengan fotosensitizer teroksidasi (Pers.(12)) atau dengan pasangan redoks teroksidasi pada permukaan TiO2 (Pers.(13)). ܵ ା (௧ௗ௦௦) + ݁ ି (்ைమ) → ܵ(௧ௗ௦௦) ି ܫଷି + 2. ݁ ି (்ைమ ) → 3(ܫௗ)
(12) (13)
II.2.3 Energitika DSSC Separasi muatan pada DSSC dibagi ke dalam dua tahapan reaksi redoks. Tahapan tersebut menghasilkan injeksi elektron menuju elektrode TiO2 dan oksidasi
23
elektrolit redoks sehingga dihasilkan regenerasi dye pada keadaan dasar. Konsentrasi ionik tinggi pada devais secara efektif mampu mengurangi medan listrik makroskopis sehingga mampu mengurangi aliran komponen transpor secara signifikan. Transpor baik elektron maupun ion redoks dikendalikan oleh proses difusi dari gradien konsentrasi. Pada kondisi optimum (nanopartikel TiO2 dan elektrolit dengan viskositas rendah), proses transfer muatan (elektron menuju elektrode kerja FTO, triiodida menuju elektrode lawan) bergantung pada gradien konsentrasi dan hanya sedikit energi bebas yang hilang. Pada elektrode lawan, triiodida direduksi kembali menjadi iodida, katalis platina mampu melakukan proses reaksi tersebut dengan meminimalisir overpotensial. Energitika pada antarmuka TiO2/dye/elektrolit merupakan hal paling mendasar yang menentukan total keluaran yang dihasilkan devais (Listorti dkk, 2011). Perhatikan energitika operasi DSSC pada gambar II.11 di bawah ini:
Gambar II.11 Energitika operasi DSSC (Listorti dkk, 2011; Durrant dkk, 2008) Daya keluaran dari DSSC tidak hanya dipengaruhi oleh efisiensi separasi muatan dan koleksi muatan pada elektrode yang dihasilkan oleh fotoelektrode, namun juga dipengaruhi oleh energi bebas diantara elektrode kerja dan balik. Pada keadaan gelap, energi fermi pada elektrode TiO2 (energi bebas elektron dalam film setelah termalisasi) dalam keadaan seimbang dengan nilai tengah potensial pada pasangan redoks dan menghasilkan tegangan keluaran bernilai nol. Pada kondisi ini, level fermi TiO2 berada di bawah band gap semikonduktor, dan film bersifat insulator efektif serta mustahil terdapat rapat elektron dalam pita konduksi
24
TiO2. Fotoeksitasi menghasilkan injeksi elektron pada pita konduksi TiO2 dan injeksi hole (oksidasi) elektrolit redoks. Konsentrasi tinggi oksidasi dan reduksi pasangan redoks yang berada pada elektrolit berarti proses fotooksidasi elektrolit tidak menghasilkan potensial muatan pada elektrolit dan biasanya bernilai konstan pada keadaan gelap. Sebaliknya, injeksi elektron pada pita konduksi TiO2 dapat meningkatkan rapat elektron antara 1 x 1013 cm-3 sampai 1 x 1018 cm-3, hal ini terjadi karena adanya peningkatan level fermi menuju ujung pita konduksi. Pergeseran level fermi di bawah iradiasi cahaya berhubungan dengan peningkatan energi bebas yang tersimpan dari elektron terinjeksi dan menghasilkan generasi tegangan pada sirkuit eksternal (Durrant dkk, 2008). Titik tengah potensial pasangan redoks ditentukan dengan persamaan Nernst, nilai ini bergantung relatif terhadap konsentrasi triiodida dan iodida. Konsentrasi tersebut merupakan syarat penting dalam kinetika regenerasi dye pada elektrode kerja. Kisaran konsentrasi yang dimiliki iodida antara 0,1-0,7 M dan triiodida antara 10-200 mM, nilai titik tengah potensial elektrolit yang dihasilkan ∼0,3 V vs.NHE (Listorti dkk, 2011; Mawyin, 2009). Energitika pita konduksi TiO2 relatif sulit untuk ditentukan. Sebagaimana logam oksida lainnya, permukaan TiO2 mungkin banyak atau sedikit terprotonasi bergantung pada aktivitas proton yang mengelilingi medium. Total muatan permukaan Nernstian bergantung nilai pH efektif yang mengalami pergeseran sekitar 60 mV setiap peningkatan nilai pH dalam medium air. Dalam bulk metal oxides, muatan permukaan dapat diasosiasikan dengan lekukan pita konduksi dan valensi yang berbatasan menuju permukaan. Sehingga dalam film mesoporus TiO2 pada aplikasi DSSC, nanopartikel sangat kecil untuk mendukung pita lengkungan selama deplesi. Sebagai konsekuensinya, total pita konduksi film mesoporus bergeser seiring dengan perubahan potensial permukaan. DSSC pada umumnya lebih banyak menggunakan elektrolit organik dibandingkan elektrolit air sehingga akan mempersulit kuantifikasi nilai pH efektif. Dengan demikian konsentrasi elektrolit memegang peranan penting dalam energitika antarmuka dye tersensitisasi begitu juga performansinya (Durrant dkk, 2008). Pemilihan energitika dye sensitizer penting untuk memperoleh sensitizer yang cocok dengan logam oksida dan pasangan redoks. Potensial oksidasi dye
25
tereksitasi (Eox*= Em(D+/D*)) harus lebih negatif untuk menghasilkan injeksi elektron yang efektif terhadap pita konduksi TiO2 serta nilai potensial oksidasi dye pada keadaan dasar harus lebih positif dibandingkan dengan pasangan redoks. Karakteristik redoks pada dye sensitizer yang teradsorpsi berbeda-beda untuk berbagai pelarut. Hal ini karena nilai rapat muatan permukaan dan keberadaan dipol pada antarmuka TiO2/dye/elektrolit. Meskipun demikian, potensial oksidasi dye pada keadaan dasar akan kompatibel bila nilai fungsi Em(D+/D*) > 0,6 V vs. NHE (Listorti dkk, 2011). II.2.4 Kinetika DSSC Setiap transfer muatan menghasilkan peningkatan separasi spasial antara elektron dan hole, serta lifetime tingkat pemisahan muatan, namun hal tersebut berdampak pada berkurangnya energi bebas setiap keadaan. Tahap ini seperti terjadi pada proses fotosintesis. Pada proses fotosintesis, kompetisi kinetik antara reaksi maju dan reaksi balik merupakan hal penting yang menentukan efisiensi kuantum dari pemisahan dan penangkapan muatan. Oleh karena itu, bagian ini merupakan kunci dari konversi energi yang dihasilkan. Perhatikan gambar II.12 di bawah:
Gambar II. 12 Representasi diagram level kinetika DSSC (Listorti dkk, 2011; Durrant dkk, 2008) Perhatikan gambar II.12 di atas, kinetika proses berturut-turut dimulai dari absorpsi cahaya, injeksi elektron, regenerasi dye dan transpor muatan (garis biru). Proses tersebut berlawanan dengan peluruhan dye tereksitasi ke keadaan dasar, rekombinasi elektron dengan dye kation dan pasangan redoks teroksidasi (garis hitam). Skala vertikal menunjukkan energi bebas yang disimpan dalam separasi muatan. Energi bebas yang dihasilkan oleh injeksi elektron bergantung pada level fermi TiO2. Pada gambar di atas, diasumsikan level fermi TiO2 0,6 V diatas
26
potensial redoks elektrolit dengan tegangan yang dihasilkan DSSC sekitar 0,50,6V (Durrant dkk, 2008). Efisiensi injeksi elektron pada DSSC tidak hanya bergantung pada laju injeksi elektron, namun juga bergantung pada perbandingan injeksi elektron dengan peluruhan elektron tereksitasi ke keadaan dasar. Rata-rata peluruhan dari keadaan eksitasi menuju ke keadaan dasar diantara beberapa dye sensitizer bervariasi antara pikosekon sampai nanosekon. Variasi tersebut menentukan efisiensi yang dihasilkan oleh devais. Lebih lanjut, pengaruh tersebut berlaku pula bukan hanya bagi dye singlet namun juga dye triplet. Dye triplet terbentuk antara intersistem crossing dari tahap eksitasi singlet menghasilkan lifetime lebih lama namun dengan energetika lebih kecil daripada keadaan singlet. Sebagai contoh rutenium bipiridin merupakan intersistem crossing dari singlet menuju keadaan triplet memiliki lifetime pada singlet state dari 1x10-13 s sampai 1x10-9 s, dan lifetime keadaan
triplet
antara
nanosekon
sampai
milisekon
bergantung
pada
pelarut/kondisi elektrolit. Dengan demikian efisiensi injeksi elektron bukan hanya bergantung pada laju injeksi elektron namun juga kecepatan peluruhan dye tereksitasi (Listorti dkk, 2011). Laju injeksi elektron dari dye tereksitasi bergantung pada electronic coupling antara orbital LUMO dye dan pita konduksi TiO2, jumlah rapat keadaan pada permukaan di dekat dye. Berdasarkan hasil penelitian, beberapa dye sensitizer memiliki laju injeksi >1x1012 s-1. Injeksi elektron akan mengalami peningkatan seiring dengan penurunan temperatur proses menuju level fermi pada fotoelektrode. Proses termalisasi ini akan mengurangi energi bebas dan mengurangi efisiensi. Dinamika injeksi elektron bergantung pada energi pita konduksi TiO2 relatif terhadap potensial oksidasi dye yang tereksitasi. Keberadaan ion seperti Li+ turut menentukan injeksi elektron. Berkurangnya kadar ion asam pada elektrolit dapat meningkatkan energi pita konduksi. Dan hal ini berdampak pada berkurangnya rapat keadaan akseptor yang menimbulkan berkurangnya injeksi elektron, dan hal ini akan mengurangi rapat arus devais yang dihasilkan (Durrant dkk, 2008). Regenerasi dye ditentukan oleh laju rereduksi kation dye oleh pasangan redoks yang harus lebih cepat dibandingkan dengan rekombinasi injeksi elektron pada
27
kation dye. Reaksi rekombinasi ini sangat dipengaruhi oleh rapat elektron pada elektrode TiO2 (atau level fermi), intensitas cahaya, tegangan sel, dan percepatan perubahan diantara kondisi sirkuit pendek dan sirkuit terbuka. Lebih lanjut, dipengaruhi oleh separasi spasial kation dye orbital HOMO dari permukaan oksida logam dengan laju peluruhan yang secara eksponensial menurut jarak mengikuti teori terobosan elektron. Reaksi regenerasi ini bergantung pula dengan konsentrasi iodida dan viskositas elektrolit (Listorti dkk, 2011). Pengumpulan muatan oleh sirkuit eksternal akan diperoleh apabila perpindahan elektron lebih cepat dibandingkan dengan rekombinasi muatan dari elektron terinjeksi oleh pasangan redoks. Transfer elektron yang bersifat menyebar sangat dipengaruhi oleh electron trapping yang terlokalisasi pada keadaan keadaan subband gap yang dihasilkan dari posisi level fermi TiO2. Peningkatan level Fermi meningkatkan puncak pita konduksi sehingga meningkatkan pengisian trap (Durrant dkk, 2008). Laju separasi muatan dan koleksi muatan berhubungan dengan energi loss yang dihasilkan dari tahapan proses dalam DSSC. Energi loss menyebabkan tegangan keluaran secara signifikan kurang dari band gap optikal. Sehingga tegangan maksimum keluaran berada pada rentang 0,6-0,75 V. Hal ini lebih kecil dibandingkan dengan setengah dari absorpsi mula-mula oleh dye sensitizer. Energi loss ini bukan hanya dipengaruhi oleh komposisi material devais, namun juga oleh kondisi operasi devais (Listorti dkk, 2011). II.2.5 Karakteristik Sel Surya Performansi fotovoltaik DSSC dievaluasi dengan empat parameter. Parameter tersebut meliputi open circuit photovoltage (Voc), short circuit photocurrent (Jsc), incident photon to current conversion efficiency (IPCE) dan overall efficiency (η). Dalam teori pita energi, perbedaan antara quasi-fermi level lapisan TiO2 dengan potensial elektrolit redoks menentukan tegangan maksimum yang ditimbulkan di bawah iluminasi. Pada persamaan (14), tegangan sirkuit terbuka bergantung pada konsentrasi iodin karena reaksi rekombinasi terjadi antara elektron pada pita konduksi TiO2 and ion triiodida I3-. Pada persamaan (14) di atas, ߟ adalah quantum yield dari fotogenerasi elektron untuk insiden foto fluks (ߔ ), no merepresentasikan rapat elektron pada pita konduksi TiO2 dalam keadaan gelap
28
sementara ket menggambarkan laju reaksi rekombinasi yang diakibatkan konsentrasi ion triiodida I3- (Lan dkk, 2007). Beberapa parameter fisik lain seperti jumlah donor, konstanta dielektrik, dan viskositas berpengaruh terhadap efisiensi solar sel (Wu dkk, 2008). Hubungan kuantitatif tersebut ditunjukkan oleh persamaan (14) di bawah: ܸ =
்
݈݊ ൬
݊Φ ൰ ݊ ݐ݁݇ ൣܫ− 3൧
(14)
Berdasarkan teori, tegangan maksimum yang dihasilkan oleh DSSC ditentukan dengan perbedaan quasi-fermi level TiO2 dan potensial redoks elektrolit sekitar 0,7 V di bawah iluminansi matahari. Selain pasangan redoks I-/I3- yang menghasilkan tegangan open circuit tinggi, beberapa alternatif pasangan redoks digunakan untuk DSSC seperti Br-/Br3-, SCN-/(SCN)2, SeCN-/(SeCN)3-,Fe(CN)63/Fe(CN)64-dan Co(II)/Co(III) kompleks (Daeneke dkk, 2012). Tidak hanya tegangan sirkuit terbuka, nilai dari densitas arus pendek (Jsc) pun dipengaruhi oleh elektrolit. Eletrolit yang digunakan akan memediasi elektron antara fotoelektrode TiO2 dengan elektrode lawan. Pelarut organik merupakan komponen dasar yang memfasilitasi proses difusi dan pemisahan pasangan redoks I-/I3-. Nilai Jsc dapat dikalkulasi mengintegrasikan incident photon to current efficiency (IPCE) dan incident photoflux (Φ ) meliputi distribusi spektral dengan persamaan (15) seperti di bawah: ܬ௦ = ݁ )ߣ(ܧܥܲܫ . Φ (ߣ)൫1 − )ߣ(ݎ൯݀ߣ
(15)
dimana ‘e’ adalah muatan elementer dan )ߣ(ݎadalah insiden light loss. Salah satu cara untuk meningkatkan densitas arus pendek (Jsc) adalah dengan meningkatkan nilai IPCE dengan memaksimalkan pemanfaatan panchromatic dye sehingga mampu mengabsorpsi insiden cahaya pada panjang gelombang yang lebih lebar (Narayan dkk, 2012; Gong dkk, 2012). Incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency (IPCE) kadang-
kadang disebut juga dengan external quantum efficiency (EQE) memiliki peranan penting dalam karakterisasi devais. Secara praktis, penggunaan devais dengan karakterisasi IPCE sangat memungkinkan untuk membandingkan performansi fotosensitizer. Karakterisasi ini berhubungan dengan jumlah elektron yang dihasilkan oleh cahaya melalui sirkuit eksternal dibandingkan dengan jumlah
29
insiden foton menurut fungsi gelombang seperti dijelaskan pada persamaan 16 di bawah (Nazeeruddin dkk, 2011): ܴܽݏݑݎܽ ݐܽ ݆ܲܽ݊ܽ݊݃ ݈݃݁݊ݐܨ ݏ݇ݑ݈ܨ ݔ ܾ݃݊ܽ݉ ߮ ݔ)ߣ(ܧܪܮ = )ߣ(ܧܥܲܫ ߟ ݔ
= )ߣ(ܧܥܲܫ
(16)
Dimana LHE(ߣ) adalah light-harvesting efficiency pada panjang gelombang ߣ.
߮ adalah quantum yield untuk injeksi elektron dari sensitizer tereksitasi pada pita konduksi TiO2, dan ߟ adalah efisiensi pengumpulan elektron. Perhatikan
gambar II.13 karakteristik DSSC di bawah ini:
Gambar II.13 Karakteristik DSSC dalam kurva tegangan-rapat arus (Sun, 2009) Efisiensi secara keseluruhan DSSC (ߟ) ditentukan dengan densitas arus pendek (Jsc), tegangan sirkuit terbuka (Voc), fill factor sel (FF) dan intensitas insiden cahaya (Is) seperti dijelaskan pada persamaan (17) dari gambar II.13 di bawah ini (Nazeeruddin dkk, 2011): ߟ=
ೞ . .
(17)
ூೞ
Adapun parameter lain yang mempengaruhi nilai efisiensi DSSC adalah fill factor (FF) seperti ditunjukkan pada persamaan (18) di bawah. Parameter ini menentukan seberapa baik sistem bekerja. Efisiensi absorpsi cahaya, jumlah elektron yang dihasilkan dan dialirkan keluar film direpresentasikan dengan nilai FF di bawah ini (Han dkk, 2004; Subramanian, 2007): = ܨܨ
ೌೣ .ೌೣ
(18)
.ೞ
dimana Jsc adalah densitas arus pendek (mA.cm-2), Voc adalah tegangan sirkuit terbuka (V), Jmax adalah nilai rapat arus maksimal dan Vmax adalah nilai tegangan maksimal, keduanya ditentukan melalui nilai daya keluaran maksimal yang diperoleh dari kurva J–V (Wang dkk, 2005; Polo dkk, 2006).
30
II.2.6 Stabilitas dan Degradasi DSSC Stabilitas DSSC dapat dibagi ke dalam dua jenis yaitu stabilitas ekstrinsik dan stabilitas intrinsik. Stabilitas ekstrinsik meliputi kualitas penyekatan. Stabilitas intrinsik meliputi mekanisme degradasi yang terdapat pada DSSC (Ashgar, 2011). Degradasi pada fotoelektrode dapat memberikan dampak bagi performansi DSSC khususnya pada nilai densitas arus pendek Jsc. Desorpsi dye merupakan salah satu penyebab terjadinya degradasi fotoelektrode akibat pergeseran keseimbangan antara dye teradsopsi pada TiO2 dan dye yang terlarut dalam elektrolit disebabkan karena perubahan temperatur. Degradasi tersebut meningkatkan resistansi transpor elektron dalam TiO2 dan resistansi kontak antara film TiO2. Selain itu, terdifusi dan teradsorpsinya elektrode lawan pada film TiO2 berdampak pada stabilitas fotoelektrode
disebabkan
berkurangnya
lifetime
separasi
muatan
dan
meningkatnya rekombinasi terutama berdampak pada penurunan nilai tegangan sirkuit terbuka Voc (Ashgar, 2011). Degradasi pada elektrode lawan dibagi ke dalam dua jenis yaitu terjadi secara fisik dan kimia. Secara fisik, jenis substrat, material katalis, dan metode deposisi mempengaruhi stabilitas DSSC. Degradasi pada elektrode lawan secara fisik disebabkan oleh terlepasnya partikel pada substrat dan lemahnya adhesi film pada substrat. Selain itu, permeabilitas air dan oksigen dalam film berbanding terbalik dengan stabilitas DSSC. Reaksi kimia antara substrat atau katalis dengan elektrolit mempengaruhi stabilitas DSSC terutama berhubungan dengan tingkat korosivitas elektrolit (Ashgar, 2011). Degradasi elektrolit disebabkan karena menurunnya konsentrasi triiodida. Degradasi tersebut berpengaruh pada perubahan warna elektrolit dan bergantung ke dalam beberapa faktor diantaranya jenis elektrode lawan, deposisi dye pada TiO2, dan dipengaruhi oleh faktor luar seperti kelembapan, cahaya matahari, dan temperatur. Lebih jauh, degradasi elektrolit ini menyebabkan peningkatan impedansi difusi dan berpengaruh terhadap menurunnya nilai fill factor (Ashgar, 2011). Penyekatan merupakan faktor penting yang mempengaruhi stabilitas DSSC. Penyekatan yang kurang sempurna menyebabkan bocornya elektrolit keluar dari devais, tidak tahannya pelarut pada tekanan uap dan temperatur tinggi, serta 31
bercampurnya air dan oksigen ke dalam devais (Ashgar, 2011; Martinez dkk, 2011). Kebanyakan fotosensitizer bermasalah dengan stabilitas seperti disolusi dan degradasi fotokatalitik (Abe dkk, 2004). Hal ini terjadi akibat kontaminasi oksigen dan air pada material semikonduktor serta menguapnya elektrolit di bawah pencahayaan. Stabilitas solar sel dapat diperoleh dengan menghalangi kontak udara dan air melalui teknik penyekatan vakum. Teknik ini mengharuskan tidak adanya kontak dengan udara dan air selama prosesnya. Devais tertutup rapat menggunakan film termoplastik (polimer surlyn) dan resin khusus (Dyesol) (Patrocínio dkk, 2009). II.3 Natural Dye Sensitizer DSSC Etanol digunakan sebagai pelarut utama natural dye antosianin, karotenoid, dan klorofil (Hao dkk, 2005; Tadesse dkk, 2012; Senthil dkk, 2011). Penggunaan etanol sebagai pelarut menghasilkan kelarutan dan level absorpsi gelombang pada cahaya tampak yang lebih tinggi dibandingkan dengan air dan metanol (Wongcharee dkk, 2007; Tadesse dkk, 2012). Selain itu, penggunaan etanol juga menghasilkan tingkat agregasi molekul yang rendah dan dispersi molekul dye yang baik pada permukaan oksida mampu meningkatkan efisiensi sistem (Wongcharee dkk, 2007; Srekala dkk, 2012). Natural dye merupakan bahan pewarna alami yang dihasilkan oleh pigmen warna tumbuhan. Pada aplikasi DSSC, natural dye ini banyak diteliti dan dimanfaatkan sebagai absorber utama cahaya yang menghasilkan separasi muatan melalui proses fotoelektrokimia (Larson dkk, 1992). Bahan pewarna alami tersebut terdiri dari beberapa jenis diantaranya betalain, karotenoid, klorofil, dan flavonoid (Narayan, 2012). Struktur kimia bahan alam tersebut mempengaruhi kualitas natural dye yang dihasilkan (Hao dkk, 2006). Beberapa penelitian terbaru pemanfaatan natural dye sebagai fotosensitizer DSSC dengan nilai efisiensi tertinggi lebih dari 0,6% dijelaskan pada tabel II.3 di bawah ini:
32
Tabel II.3 Hasil penelitian terkini natural dye tunggal sebagai fotosensitizer DSSC dengan nilai efisiensi tertinggi lebih dari 0,6% dalam berbagai perlakuan No Natural Dye 1 Blueberry
Jenis Dye antosianin
2
Skin of Jaboticaba
antosianin
3
Rosella
antosianin
4
Shiso
shisonin
5
Mangosteen pericarp Wild Sicilian prickly pear
antosianin
6
7 8 9
antosianin
Garcinia klorofil suubelliptica Ficus Reusa klorofil Linn Rhoeo klorofil spathacea (Sw.) Stearn
Perlakuan ߟ (%) 0,61 tanpa pemurnian dan penyesuaian pH 0,62 tanpa pemurnian, penambahan koadsorpsi asam asetat 2%, penyesuaian pH < 2 dengan HCl 0,70 tanpa pemurnian, penyesuaian pH 1 1,01 pemurnian, penambahan koadsorpsi asam asetat 2%, penambahan logam CuI pada TiO2 1,17 pemurnian bertahap, penyesuaian pH <2 dengan HCl 2,06 pemurnian, penyesuaian pH 1 oleh asam tartaric, penambahan koadsorpsi asam carboxylic, penyesuaian konsentrasi pada pemanasan 40-60oC selama 120 menit, penyesuaian ketebalan TiO2 anatase 13 ߤm, penambahan pyridine pada elektrolit, penyesuaian komposisi pelarut elektrolit acetonitrile:valentonitrile 85:15 0,69 pemurnian, maserasi, penambahan Au pada TiO2 1,18 pemurnian, maserasi, penambahan Au pada TiO2 1,49 pemurnian, maserasi, penambahan Au pada TiO2
Sumber Patrocinio dkk, 2009 Calogero dkk, 2008 Wongcharee dkk, 2007 Kumara, 2006 Zhou dkk, 2011 Calogero dkk, 2012
Lai dkk, 2007 Lai dkk, 2007 Lai dkk, 2007
II.3.1 Antosianin Antosianin adalah zat warna yang bersifat polar dan akan larut dengan baik pada pelarut–pelarut polar (Kushwaha dkk, 2012). Pada pH tinggi, antosianin cenderung bewarna biru atau tidak berwarna, kemudian cenderung bewarna merah pada pH rendah (Deman, 1997). Ekstraksi senyawa golongan flavonoid pada suasana asam akan mendenaturasi membran sel tanaman, kemudian melarutkan pigmen antosianin sehingga dapat keluar dari sel, serta dapat mencegah oksidasi flavonoid (Tensiska dkk, 2006). Beberapa asam organik yang sering digunakan untuk ekstraksi pigmen adalah asam klorida, asam sitrat, dan asam asetat (Ortiz dkk, 2010; Kumara dkk, 2005; Calogero dkk, 2008). Struktur kimia antosianidin dijelaskan pada gambar II.14 di bawah ini:
33
Gambar II.14 Struktur kimia antosianidin dan ikatan antosianin pada permukaan TiO2 (Hao dkk, 2006) Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi hasil ekstraksi antosianin adalah waktu ekstraksi, pH dan temperatur ekstraksi. pH larutan ekstraksi berpengaruh terhadap kestabilan warna pigmen. Keadaan yang semakin asam apalagi mendekati pH 1 akan menyebabkan semakin banyaknya pigmen antosianin berada dalam bentuk kation flavilium atau oxonium yang berwarna dan pengukuran absorbansi akan menunjukkan jumlah antosianin yang semakin besar. Antosianin banyak terlokalisasi pada suatu bagian pada vakuola yang disebut dengan antosianoplas (Narayan dkk, 2012). Keadaan yang semakin asam menyebabkan semakin banyak dinding sel vakuola yang pecah sehingga pigmen antosianin semakin banyak yang terekstrak (Tensiska, 2006). Dalam analisis UV-Vis, kandungan antosianin ditunjukkan dengan adanya puncak absorbansi pada panjang gelombang 540 nm (Chang dkk, 2010), 550 nm (Hemalatha, 2012). Selain itu, pada analisis FTIR, keberadaan antosianin ditunjukkan dengan vibrasi regangan gugus –CH pada puncak 2923 cm-1, 2850 cm-1, vibrasi regangan gugus –OH pada puncak 3393 cm-1, dan vibrasi regangan gugus C=O menunjukkan pada puncak 1726 cm-1 mengindikasikan terbentuknya antosianin quinonoidal pada kondisi asam (Hemalatha dkk, 2012; Calogero dkk, 2012). Pada penelitian ini digunakan bunga Ipomea pescaprea yang mengandung antosianin seperti pada gambar II.15 di bawah ini:
Gambar II.15 Bunga Ipomea pescaprea
34
II.3.2 Karotenoid Karotenoid memiliki responsibilitas terhadap warna kuning, oranye, dan merah yang mampu menangkap spektrum cahaya tampak (Yamazaki dkk, 2007; Hemalatha dkk, 2012). Bahan pewarna ini memiliki gugus karboksilat pada ujung rantai senyawanya yang memungkinkan mampu berikatan dengan permukaan TiO2 (Ortiz dkk, 2009). Seluruh karotenoid merupakan poliisoprenoid yang memiliki sistem dengan ikatan tunggal dan rangkap terkonjugasi (Hemalatha dkk, 2012). Struktur tersebut dijelaskan pada gambar II.16 di bawah:
Gambar II.16 Struktur kimia ࢼ, ࢼ-karotein dan ikatannya pada permukaan TiO2 Dalam analisis UV-Vis, kandungan karotenoid ditunjukkan dengan adanya puncak absorbansi pada rentang panjang gelombang 414 nm – 502 nm (Yamazaki dkk, 2007; Ortiz dkk, 2010; Gomez dkk, 2010; Hao dkk, 2006; Hemalatha dkk, 2012). Selain itu, pada analisis FTIR, keberadaan karotenoid ditunjukkan dengan vibrasi regangan gugus =C-H pada puncak 3032 cm-1, vibrasi regangan gugus karboksilat C=O pada 1716 cm-1, vibrasi regangan gugus C–C pada puncak 1080 cm-1, vibrasi regangan gugus C=C pada puncak 1646 cm-1, dan vibrasi regangan simetri asimetri gugus C–O–C pada puncak 1066 cm-1 (Hemalatha dkk, 2012; Ortiz dkk, 2009). Pada penelitian ini digunakan beberapa bahan yang mengandung karotenoid diantaranya kulit pisang tanduk Musa sapientum, kulit salak pondoh Salacca zalacca, dan kulit jeruk medan Citrus sinesis (L) seperti dijelaskan pada gambar II.17, II.18 dan II.19 di bawah ini:
35
Gambar II.17 Kulit pisang tanduk Musa sapientum Pisang ini termasuk ke dalam kelompok AAB (triploid, partenokarp). Klasifikasi ilmiah buah tersebut adalah kerajaan plantae, divisi magnoliophyta, kelas liliopsida, ordo musales, famili musaceae, genus musa, spesies Musa sapientum.
Gambar II.18 Kulit salak pondoh Salacca zalacca Buah tersebut memiliki ciri berbentuk segitiga agak bulat atau bulat telur terbalik, runcing di pangkalnya dan membulat di ujungnya, panjang 2,5-10 cm, terbungkus oleh sisik-sisik berwarna kuning coklat sampai coklat merah mengkilap yang tersusun seperti genting, dengan banyak duri kecil yang mudah putus di ujung masing-masing sisik. Dinding buah tengah (sarkotesta) tebal berdaging, kuning krem sampai keputihan, berasa manis, masam, atau sepat. Biji 1-3 butir, coklat hingga kehitaman, keras, 2-3 cm panjangnya. Klasifikasi ilmiah buah salak pondoh ini adalah kerajaan plantae, divisi magnoliophyta, kelas liliopsida, ordo arecales, famili arecaceae, genus salacca, spesies Salacca zalacca.
Gambar II.19 Kulit jeruk medan Citrus sinesis (L)
36
Buah jeruk medan memiliki ciri-ciri berukuran sedang, tangkainya kuat. Bentuknya bulat, bulat lonjong atau bulat rata (papak) dengan bagian dasar, ujungnya bulat atau papak, bergaris tengah 4-12 cm. Buah yang masak berwarna orange, kuning atau hijau kekuningan, berbau sedikit harum, agak halus, tidak berbulu, kusam, dan sedikit mengkilat. Kulit buah tebalnya 0,3-0,5 cm, dari tepi berwarna kuning atau orange tua dan makin ke dalam berwarna putih kekuningan sampai putih, berdaging dan kuat melekat pada dinding buah. Klasifikasi ilmiah buah tersebut adalah kerajaan plantae, divisi magnoliophyta, kelas magnoliopsida, ordo sapindales, famili rutaceae, genus citrus, spesies Citrus sinesis (L). II.3.3 Klorofil Klorofil merupakan material fotoreseptor efektif karena strukturnya memiliki ikatan tunggal dan rangkap serta orbital yang mampu mendelokalisasi elektron serta struktur yang stabil memungkinkan untuk mengabsorpsi energi dari cahaya matahari. Klorofil a lebih dominan digunakan sebagai fotosensitizer. Struktur kimia klorofil a dan b dijelaskan pada gambar II.20 di bawah:
Gambar II.20 Struktur klorofil a dan b (Hao dkk, 2006) Dalam analisis Uv-Vis, kandungan klorofil a ditunjukkan dengan adanya puncak absorbansi pada rentang panjang gelombang 660 nm dan 420 nm, sedangkan kandungan klorofil b ditunjukkan dengan adanya puncak absorbansi pada rentang panjang gelombang 650 nm dan 460 nm (Connell dkk, 2010). Pelarut polar dalam proses ekstraksi klorofil menyebabkan terjadinya pergeseran bathochromic
37
(pergeseran merah) disebabkan terjadinya agregasi Mg2+ klorofil dalam pelarut polar (Lai dkk, 2007). Selain itu, pada analisis FTIR, keberadaan klorofil ditunjukkan dengan vibrasi regangan gugus C=N pada puncak 2094 cm-1, vibrasi regangan gugus karboksilat C=O pada 1630 cm-1, vibrasi regangan gugus C=C aromatik pada puncak
1480 cm-1, dan vibrasi regangan simetri asimetri gugus
C–O–C pada puncak 1084 cm-1 (Chang dkk, 2010). Pada penelitian ini digunakan beberapa bahan yang mengandung klorofil diantaranya Alang-alang Imperata cylindrica (L.) Beauv dan Genjoran Paspalum conjugatum Berg seperti dijelaskan pada gambar II.21 dan II.22 di bawah:
Gambar II.21 Alang-alang Imperata cylindrica (L.) Beauv Rumput tersebut memiliki ciri-ciri tumbuh tegak, hingga 200 cm, dengan rimpang beruas-ruas dan bermata tunas pada bukunya. Gulma ini merupakan gulma tahunan. Daun berbentuk pita, permukaannya berbulu, tepian daun bergerigi tajam dan pelepah berbulu. Perbungaan malai, benang sari dua. Berkembang biak dengan biji dan potongan rimpang.
Gambar II.22 Genjoran Paspalum conjugatum Berg Rumput tumbuh berumpun, buluh menjalar, rimpang tunggal atau bercabang, hingga 75 cm. Gulma ini merupakan gulma tahunan. Buku, pangkal daun dan pelepah daun berwarna lembayung. Buku berbulu tegal. Daun berbentuk garis atau lanset, permukaan dan tepian daun berbulu, lidah daun pendek. Perbungaan bulir, umumnya bercabang dua. Berkembang biak dengan biji dan stek batang.
38
Bab III Metode Penelitian
III.1 Lokasi Penelitian Penelitian performansi dye sensitized solar cell bahan dasar pewarna natural antosianin, klorofil, dan karotenoid dilaksanakan di Laboratorium Fungsional Material dan Laboratorium Proses Material, Program Studi Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung yang berlokasi di Gedung Labtek VI, Jalan Ganesha No. 10 Bandung. Analisis UV-Vis dan FTIR dilakukan di Laboratorium Kimia Instrumen, Jurusan Pendidikan Kimia, Universitas Pendidikan Indonesia yang berlokasi di jalan Dr. Setiabudi No. 22 Bandung. Analisis XRD, dan SEM dilakukan bekerja sama dengan Korea Advanced Institute of Science and Technology, Korea Selatan. III.2 Alat dan Bahan III.2.1 Alat Alat-alat yang digunakan dalam penelitian yaitu pipet tetes ukuran kecil dan sedang, mikro pipet 50 μL, spatula, cawan petri, peralatan gelas skala laboratorium, pengaduk magnetik dengan pemanas, tungku pemanas (Cress Electric Furnace), mortar, pH meter digital, pisau, sarung tangan, masker, penjepit buaya, tang, lemari asam, statip, power supply DC 13 V, klip kertas, tabung sentrifugasi, termometer laboratorium dan termometer ruangan, multimeter digital (Fluke, Heles UX-369C), piranometer (Eppley Radiometer), potensiometer 10 kΩ, timbangan digital, pembersih ultrasonik Branson, kabel, gunting, plastik wrap, alumunium foil, simulator solar, pompa vakum, penjepit kaca, botol vial 10 mL dan 50 mL, kertas timbang, alat sentrifugasi 4000 rpm, dan corong filter. III.2.2 Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian yaitu film tipis TiO2 (Titanium dioksida) nanopartikel dari Dyesol, etanol 99% dari merck, isopropil alkohol IPA, akuabides, elektrolit EL-141 dari Dyesol, asam asetat, asam klorida, putih telur, kertas saring whatman, kaca transparan konduktif ITO (Indium Tin Oxide) dari Dyesol, larutan buffer 4 dan 7, film tipis platinum dari Dyesol, bunga Ipomea pescaprea, kulit pisang tanduk Musa sapientum, kulit salak pondoh Salacca
39
zalacca, kulit jeruk medan Citrus sinesis (L), Alang-alang Imperata cylindrica (L.) Beauv, dan Genjoran Paspalum conjugatum Berg. III.3 Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan meliputi tahap preparasi fotosensitizer DSSC, preparasi fotoelektrode, elektrode lawan, dan elektrolit DSSC, pemasangan DSSC, serta analisis performansi DSSC. Adapun parameter yang diteliti diantaranya densitas arus pendek Jsc, rapat arus J, tegangan sirkuit terbuka Voc, tegangan V, fill factor FF, daya maksimal Pmaks, dan efisiensi ߟ. Bagan alir tahapan penelitian secara keseluruhan ditampilkan pada gambar III.1 berikut: bunga, kulit buah, rumput
film TiO2 terdeposisi pada ITO
ekstraksi filtrasi penyesuaian pH
kalsinasi 450oC 1 jam
dye
fotoelektroda TiO2 dicampurkan pada 80oC direndam 1 hari
analisis
dye tersensitisasi TiO2
analisis
lapisan atas
FTIR
Uv-Vis
SEM
elektrolit injeksi El-141
lapisan bawah gabung klip kertas
DSSC pengujian
efisiensi DSSC Kesimpulan Gambar III. 1 Bagan alir tahapan penelitian
40
BET
film tipis Pt terdeposisi pada ITO
XRD
III.4 Preparasi Fotosensitizer DSSC Beberapa bahan yang akan dijadikan fotosensitizer yaitu bunga Ipomea pescaprea, kulit pisang tanduk Musa sapientum, kulit salak pondoh Salacca zalacca, kulit jeruk medan Citrus sinesis (L), Alang-alang Imperata cylindrica (L.) Beauv, dan Genjoran Paspalum conjugatum Berg. Ekstraksi ke lima bahan utama tersebut dimulai dengan menyortir bahan terbaik dan selanjutnya bahan dikupas sehingga diperoleh pigmen warna yang akan diekstraksi. Beberapa bahan tersebut dibersihkan beberapa kali dengan menggunakan air bersih dan dibiarkan hingga kering (1). Setelah itu, bahan diiris-iris hingga halus atau dihaluskan sampai diperoleh bahan berbentuk butiran (2). Siapkan etanol, bahan selanjutnya dilarutkan di dalam pelarut etanol dengan perbandingan pelarut dengan bahan 3:1 (w/w) dan disimpan di dalam botol ditutup rapat (3). Botol tersebut disimpan di dalam ruang gelap selama 2 minggu pada temperatur 25oC (Lai dkk, 2007). Bahan selanjutnya dikeluarkan dan dimasukkan ke dalam tabung sentrifugasi 4000 rpm selama 10 menit untuk memisahkan filtrat dengan endapan (4). Pompa vakum lebih lanjut digunakan dalam proses penyaringan dengan 3 lapis kertas whatman untuk menghasilkan filtrat yang lebih baik (5). Kemudian ekstrak disimpan di dalam ruang gelap pada temperatur ruang untuk digunakan sebagai fotosensitizer (6). Larutan diukur tingkat keasamannya dengan menggunakan pH meter. Selanjutnya diuji tingkat absorbansinya dengan spektrofotometer UV-Vis. Untuk mendapatkan larutan dengan tingkat keasaman lebih tinggi, beberapa tetes larutan HCl ditambahkan sehingga pHnya diatur kurang dari 2 untuk mendapatkan kualitas dye yang lebih baik (Zhou dkk, 2011; Senthil, 2011). Penggabungan dye dilakukan dengan mencampurkan dua jenis dye dengan perbandingan 1:1 (v/v) (Chang dkk, 2010; Furukawa dkk, 2009). Asam asetat ditambahkan sebagai koadsorpsi dye sebanyak 2% (v/v) pada larutan dye untuk meningkatkan ikatan dye-TiO2 (Kumara dkk, 2005; Calogero dkk, 2008). Selanjutnya dye dianalisis dengan FTIR. Proses, bagan alir dan hasil ekstraksi bahan dijelaskan pada gambar III.2, III.3, dan III.4 di bawah ini:
41
(1)
(2)
(6) (5) Gambar III.2 Foto tahap ekstraksi larutan dye
Gambar III.3 Bagan alir preparasi fotosensitizer DSSC 42
(3)
(4)
Gambar III.4 Hasil ekstraksi dye klorofil (kiri), karotenoid (tengah), dan antosianin (kanan) III.5 Preparasi Fotoelektrode, Elektrode Lawan, dan Elektrolit DSSC Fotoelektrode TiO2 nanopartikel dengan luas 0,75 cm2 diperoleh dari Dyesol. Film TiO2 yang telah terdeposisi pada kaca konduktif ITO (≤32 Ω/cm2) dikalsinasi selama satu jam pada suhu 450oC. Kemudian didinginkan hingga mencapai temperatur 80oC dan dimasukkan ke dalam larutan dye selama 24 jam serta disimpan di tempat gelap (Hemalatha dkk, 2012). Setelah dye teradsorpsi, film dibersihkan dengan isopropil alkohol IPA dan dikeringkan. Elektrode lawan platina yang telah terdeposisi pada kaca konduktif ITO diperoleh dari Dyesol dengan ukuran sama 0,75 cm2. Bahan tersebut kemudian dibersihkan dengan isopropil alkohol IPA sebelum digunakan sebagai elektrode lawan DSSC. Elektrolit yang digunakan dalam penelitian adalah elektrolit komersial EL-141. Elektrolit tersebut mengandung pasangan redoks I-/I3- dari Dyesol Co. Australia. III.6 Perakitan DSSC DSSC dirangkai dengan tipe sel sandwich sel berturut-turut dari paling atas kaca konduktif ITO, fotoelektrode TiO2 tersensitisasi dye, elektrolit, elektrode lawan Pt, dan kaca konduktif ITO. Kedua buah elektrode dijepit menggunakan dua buah klip pada kedua sisinya dan perekat putih telur digunakan sebagai penyekat untuk mencegah elektrolit dari kebocoran. Semua bahan-bahan tersebut dirangkai seperti pada gambar III.5 di bawah ini:
(a) (b) Gambar III.5 Pemasangan DSSC tampak dari samping (a), tampak dari atas (b)
43
III.7 Karakterisasi DSSC III.7.1 Karakterisasi Natural Dye Sensitizer a. Karakterisasi Spektrofotometri UV-Vis Pengukuran spektrofotometri UV-Vis dilakukan untuk melihat kemampuan absorbansi cahaya dan nilai puncak serapan gelombang UV-Vis. Gelombang tersebut diserap oleh dye dan dapat diketahui identitas awal dye apakah mengandung antosianin, klorofil atau karotenoid. Pengukuran dilakukan dengan UV-Vis Spektrofotometer yang terdapat di Laboratorium Kimia Instrumen UPI dengan spesifikasi alat jenis Spektrofotometer UV mini-1240 (Shimadzu Co. Japan). Adapun pengukuran dilakukan pada panjang gelombang 300 nanometer sampai 800 nanometer. b. Karakterisasi Spektroskopi Fourier Transform Infra Red (FTIR) Pengukuran spektroskopi FTIR dilakukan untuk mengetahui berbagai vibrasi uluran gugus fungsional pada bilangan gelombang tertentu sehingga dapat diketahui identitas dye hasil ekstraksi. Pengukuran dilakukan dengan spektroskopi FTIR yang terdapat di Laboratorium Kimia Instrumen UPI dengan spesifikasi alat jenis Spektrofotometer FTIR 8400 (Shimadzu Co. Japan) menggunakan plat Kalium Bromida KBr. Adapun pengukuran dilakukan pada bilangan gelombang 500 cm-1 sampai 4000 cm-1. III.7.2 Karakterisasi TiO2 Nanopartikel a. Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM) Penggunaan gambar SEM dilakukan untuk mengetahui morfologi suatu material. Gambar yang diperoleh menggunakan JEOL yang beroperasi pada 20 kV pada pembesaran 12.000x sampai 220.000x. Ketebalan fotoelektrode TiO2 diperoleh dengan mengukur ketebalan film yang diperoleh dari gambar penampang lintang TiO2 menggunakan SEM pada pembesaran 12.000x. b. Karakterisasi X Ray Diffaction (XRD) Pola X-Ray Diffractometer (XRD) menggunakan Philips Analytical X-Ray dengan radiasi Cu (λ = 0.154056 nm) dan ukuran kristal yang ditentukan menggunakan persamaan Scherrer pada indeks Miller (101). Nilai puncak pola XRD yang besar mengindikasikan bahwa TiO2 memiliki kristalinitas yang baik untuk fase anatase mengacu pada JCPDS number 21-1272.
44
III.7.3 Pengukuran Efisiensi Efis DSSC Efisiensi DSSC ditentukan dari hasil pengukuran kurva rapat arus-tegangan arus dan daya-tegangan.. Potensiometer 10 kΩ dan multimeter digital (Fluke Fluke 77 III dan Heles UX-369C) digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan keluaran maksimum. Kurva I--V dan P-V digunakan untuk menentukan nilai densitas arus pendek (Jsc), tegangan sirkuit terbuka (Voc), daya maksimum (Pmaks) dan fill factor (FF).. Sel surya diletakkan di bawah solar simulator yang menggunakan lampu 35W Xenon HID.. Hasil pengukuran dengan menggunakan Piranometer menunjukkan bahwa intensitas iradiasi yang dihasilkan oleh lampu tersebut adalah 36 mW/cm2.
Gambar III.6 Foto pengukuran DSSC di bawah solar simulator (kiri), pengukuran I-V menggunakan multimeter digital (tengah), solar simulator (kanan) Adapun rangkaian yang digunakan untuk menentukan karakteristik rapat arustegangan tersebut ersebut adalah seperti ditunjukkan pada gambar III.8 di bawah ini:
Gambar III.7 Rangkaian untuk mengukur karakteristik photocurrent dan photovoltage DSSC Efisiensi DSSC (ߟ) ditentukan oleh densitas arus pendek (Jsc), tegangan sirkuit terbuka (Voc), fill ll factor (FF) dan intensitas insiden cahaya (IIs) menggunakan hubungan: ߟ=
ೞ .WXV .YY ZU
dengan nilai FF seperti ditunjukkan pada persamaan di bawah ini:: PP 1
W[\] .T[\] WXV .TUV
45
Bab IV Hasil Penelitian dan Diskusi
IV.1 Identifikasi Jenis Natural Dye Fotosensitizer Hasil Ekstraksi IV.1.1 Analisis FTIR Natural Dye Antosianin Berdasarkan hasil analisis spektroskopi FTIR, diperoleh grafik spektrum fourier transform infrared untuk dye antosianin yang diperoleh dari hasil ekstraksi bunga Ipomea pescaprea seperti ditunjukkan pada gambar IV.1 di bawah ini:
Gambar IV.1 Spektrum fourier transform infrared untuk dye antosianin yang diperoleh dari hasil ekstraksi bunga Ipomea pescaprea Pada gambar IV.1 di atas, antosianin dihasilkan dari hasil ekstraksi bunga Ipomea pescaprea. Kandungan tersebut ditunjukkan oleh adanya beberapa vibrasi gugus fungsional diantaranya (Hemalatha dkk, 2012): pada 3415,7 cm-1 terjadi vibrasi uluran lemah gugus –OH dari etanol, pada 3000-3700 cm-1 terjadi vibrasi regangan dengan pita lebar gugus –OH dari air, pada 2906,5 cm-1 dan 2981,7 cm-1 terjadi vibrasi regangan –CH3 dari alkil alkana, pada 1872,8 cm-1 terjadi vibrasi uluran lemah pembentukan antosianin parsial quinonoidal dengan gugus fungsional >C=O, pada 1631,7 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C=C alkena alifatik atau karbonil C=O yang berasal dari alkena, pada 1477,4 cm-1 terjadi vibrasi regangan C=C aromatik yang berasal dari benzena, pada 1450,4 cm-1 dan 1400,2 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-H yang berasal dari alkana, pada 1328,9 cm-1 dan 1274,9 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-O yang berasal dari alkohol tersier, pada 1083,9 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-O-C yang berasal dari ester, dan pada 1045,3 terjadi vibrasi uluran tajam C-O yang berasal dari alkohol primer.
46
IV.1.2 Analisis FTIR Natural Dye Karotenoid Berdasarkan hasil analisis spektroskopi FTIR, diperoleh grafik spektrum fourier transform infrared untuk dye karotenoid yang diperoleh dari hasil ekstraksi kulit Musa sapientum seperti ditunjukkan pada gambar IV.2 di bawah ini:
Gambar IV.2 Spektrum fourier transform infrared untuk dye karotenoid yang diperoleh dari hasil ekstraksi kulit Musa sapientum Pada gambar IV.2 di atas, karotenoid dihasilkan dari hasil ekstraksi kulit Musa sapientum. Kandungan tersebut ditunjukkan oleh adanya beberapa vibrasi gugus fungsional diantaranya (Hemalatha dkk, 2012): pada 3411,8 cm-1 terjadi vibrasi uluran lemah gugus –OH dari etanol, pada 3000-3700 cm-1 terjadi vibrasi regangan dengan pita lebar gugus –OH dari air, pada 2958,7 cm-1 terjadi vibrasi regangan asimetris –CH3 dari alkil alkana, pada 1627,8 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C=C alkena alifatik atau karbonil C=O yang berasal dari alkena, pada 1510,2 cm-1 terjadi vibrasi regangan C=C aromatik yang berasal dari benzena, pada 1400,2 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-H yang berasal dari alkana, pada 1330,8 cm-1 dan 1261,4 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-O yang berasal dari alkohol tersier, pada 1060,8 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-O-C yang berasal dari ester, dan pada 989,4 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C-O yang berasal dari alkohol primer, pada 648,0 cm-1 terjadi vibrasi goyangan C-H. IV.1.3 Analisis FTIR Natural Dye Klorofil Berdasarkan hasil analisis spektroskopi FTIR, diperoleh grafik spektrum fourier transform infrared untuk dye klorofil yang diperoleh dari hasil ekstraksi alangalang Imperata cylindrica (L.) Beauv seperti ditunjukkan pada gambar IV.3 di bawah ini:
47
Gambar IV.3 Spektrum fourier transform infrared untuk dye klorofil yang diperoleh dari hasil ekstraksi Imperata cylindrica (L.) Beauv Pada gambar IV.3 di atas, klorofil dihasilkan dari hasil ekstraksi bunga alangalang Imperata cylindrica (L.) Beauv. Kandungan tersebut ditunjukkan oleh adanya beberapa vibrasi gugus fungsional diantaranya (Chang dkk, 2010): pada 3415,7 cm-1 terjadi vibrasi uluran lemah gugus –OH dari etanol, pada 2500 cm-1 3700 cm-1 terjadi vibrasi regangan dengan pita sangat lebar asam karboksilat -COOH, pada 2979,8 cm-1 dan 2902,7 cm-1 terjadi vibrasi regangan simetris asimetris–CH3 dari alkil alkana diperkuat oleh adanya gugus C-H pada vibrasi regangan pada 1274,9 cm-1 dan 1326,9 cm-1, pada 2094,6 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C=N sebagai indikasi kandungan klorofil pada dye, pada 1633,6 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C=C alkena alifatik atau karbonil C=O yang berasal dari alkena, pada 1485,1 cm-1 terjadi vibrasi regangan C=C aromatik yang berasal dari benzena, pada 1452,2 cm-1 dan 1402,2 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-H yang berasal dari alkana, pada 1326,9 cm-1 dan 1274,9 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-O yang berasal dari alkohol tersier, pada 1083,9 cm-1 terjadi vibrasi regangan C-O-C yang berasal dari ester, dan pada 1045,3 terjadi vibrasi uluran tajam C-O yang berasal dari alkohol primer. IV.2 Analisis Fotoelektrode TiO2 Nanopartikel IV.2.1 Analisis Scanning Electron Microscope (SEM) Hasil foto SEM TiO2 nanopartikel ditunjukkan pada gambar IV.4 di bawah ini: (a)
48
(b)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Gambar IV.4 Foto SEM TiO2 nanopartikel setelah dilakukan proses kalsinasi pada temperatur 450oC selama 1 jam. Keterangan: (a) foto SEM penampang lintang film TiO2 pembesaran 12.000x, (b) foto SEM TiO2 pembesaran 20.000x, (c) foto SEM TiO2 pembesaran 33.000x, (d) foto SEM TiO2 pembesaran 60.000x, (e) foto SEM TiO2 pembesaran 95.000x, (f) foto SEM TiO2 pembesaran 220.000x Berdasarkan hasil foto SEM TiO2 di atas, terlihat bahwa semikondukor tersebut memiliki ukuran sekitar 50 nm dengan ketebalan film 5,1 ^M.. Morfologi struktur TiO2 nanopartikel tersebut terlihat memiliki sejumlah porus yang memudahkan dye tersensitisasi pada bagian tersebut.
49
IV.2.2 Analisis X Ray Diffaction (XRD) Struktur kristal TiO2 nanopartikel ditunjukkan dengan hasil pola XRD pada gambar IV.5 dan tabel IV.1 di bawah ini: 120
TiO2 Anatase
(101) Intensity (CPS)
100 80
(103)
60
(200) (105) (100)
40 20 0 10
20
30
40
50
60
2ϴ
Gambar IV.5 Pola difraksi sinar X TiO2 nanopartikel setelah dilakukan proses kalsinasi pada temperatur 450oC selama 1 jam Tabel IV.1 Perbandingan nilai puncak intensitas kurva I-2ϴ kristal TiO2 nanopartikel hasil eksperimen dengan nilai puncak intensitas kurva I-2ϴ kristal TiO2 nanopartikel standar untuk fase anatase dan rutil No 1 2 3 4 5 6 7 a. b.
2ϴ Rutil 27,51 36,04 39,31 41,19 44,14 54,23 56,78
Intensitas Intensitas Eksperimen Standarda 3 80 1 60 2 4 1 30 4 12 4 100 1 30
No 1 2 3 4 5
2ϴ Intensitas Anatase Eksperimen 25,28 96 37,93 19 48,38 6 53,89 10 55,3 6
Intensitas Standardb 100 24 40 28 24
PDF Card No.: 00-001-0562 Quality:B PDF Card No.: 00-001-1292 Quality:B
Setelah dilakukan klarifikasi dengan JCPD no. 21-1272 dan standar di atas, terlihat bahwa struktur kristal yang terbentuk adalah partikel TiO2 anatase murni. IV.3
Analisis Pengaruh Tingkat Keasaman Pelarut dan Penambahan Koadsorpsi Asam Asetat 2% pada Natural Dye Fotosensitizer Antosianin terhadap Performansi DSSC dengan Fotoelektrode TiO2 Nanopartikel
Gambar IV.6 di bawah menunjukkan spektra absorpsi UV-Vis antosianin Ipomea pescaprea pada kondisi netral, asam dan penambahan asam asetat. Penambahan asam asetat yang bersifat polar mengakibatkan terjadinya pergeseran merah puncak absorpsi spektra disebabkan adanya interaksi gugus polar molekul dye
50
dengan pelarut dan meningkatkan intensitas absorpsi gelombang (Tadesse dkk, 2012; Hemalatha dkk, 2012; Hao dkk, 2005). Selain itu, keberadaan koadsorpsi pada molekul dye mampu meningkatkan ikatan dengan TiO2 (Kumara dkk, 2005; Calogero dkk, 2008). Ekstrak Ipomea pescaprea menggunakan etanol pada pH 6,9 dan pH 1,5 serta penambahan asam asetat pada pelarut menghasilkan puncak absorpsi berturut-turut pada 512 nm, 512 nm, dan 526 nm. Absorpsi gelombang tersebut mengindikasikan kandungan antosianin pada Ipomea pescaprea (Calogero dkk, 2008; Wongchare dkk, 2007).
Gambar IV.6 Spektrum absorpsi natural dye antosianin Ipomea pescaprea untuk ekstraksi etanol pada (a) netral pH 6,7, (b) asam pH 1,5, dan (c) asam pH 1,5 + koadsorpsi asam asetat 2% Pada gambar IV.7 di bawah deprotonasi antosianin quinonoidal akan terbentuk lebih banyak seiring dengan peningkatan pH (Calogero dkk, 2008). Pada pH kurang dari 2 antosianin berada dalam bentuk antosianin flavylium (Tadesse dkk, 2012). Perubahan tersebut berdampak pada peningkatan ikatan dye dengan TiO2 dan peningkatan kondensasi gugus hidroksil pada antosianin (Abe dkk, 2000; Martinez dkk, 2011).
Gambar IV. 7 Keseimbangan pembentukan antosianin flavylium dan antosianin quinonoidal pada larutan dan berikatan dengan TiO2 (Tadesse dkk, 2012) 51
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik J-V DSSC seperti dijelaskan pada gambar gamb IV.8
Photocurrent (mA.cm-2)
dan tabel IV.2 di bawah ini: 1,600 1,400 (c) asam + koadsorpsi 1,200 1,000 (b) asam 0,800 0,600 0,400 (a) netral 0,200 0,000 0,000 0,200 0,400 Potential (V)
0,600
Gambar IV.8 Kurva rapat arus-tegangan arus DSSC tersensitisasi natura atura dye antosianin Ipomea pescaprea pada (a) netral pH 6,7, (b) asam pH 1,5, dan (c) asam pH 1,5 + koadsorpsi asam asetat 2% Tabel IV.2 Pengaruh tingkat keasaman dan koadsorpsi terhadap efisiensi DSSC dengan fotosensitizer natural nat dye antosianin Ipomea pescaprea Voc FF Jsc Pelarut pH 2 (mA/cm ) (V) (%) (%) Etanol 6,7 0,667 0,499 48,8% 8% 0,45% Etanol 1,5 0,921 0,466 44,6% 6% 0,53% Etanol + koadsorpsi 1,5 1,346 0,393 37,7% 7% 0,55% Pada gambar IV.8 dan tabel IV.1 di atas terlihat bahwa penambahan asam asetat 2% ada fotosensitizer meningkatkan efisiensi sel sel sebesar 0,02% sebanding dengan peningkatan
intensitas
absorpsi
gelombang
yang
dianalisis
melalui
spektrofotometer UV-Vis. UV Vis. Serta penambahan pelarut asam mampu meningkatkan efisiensi sel sebesar 0,08%. Berdasarkan hasil tersebut dapat dianalisis terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi diantaranya tingkat t keasaman fotosensitizer tersebut menentukan potensial pita konduksi semikonduktor. Potensial tersebut dipengaruhi oleh proses kinetik transfer muatan yang secara langsung mengatur kinerja devais. Potensial pita konduksi semikonduktor yang dijelaskan melalui persamaan Nernstein bergantung pada nilai pH pelarut E(cb) = Eo – 0,06pH 06pH (V vs. NHE) dimana Eo adalah -0,156 156 V untuk TiO2 anatase (Kalyanasundaram dkk 1998; Sun, 2009). 2009) Pada pH 7 diperoleh potensial pita p konduksi TiO2 -0,576 (V vs. NHE) dan pada pH 1,5 diperoleh potensial pita konduksi TiO2 -0,246 (V vs. NHE). Pada kondisi 52
asam, koefisien difusi elektron lebih besar dibandingkan pada kondisi netral sehingga laju injeksi elektron lebih besar (Lee dkk, 2011; Kalyanasundaram dkk, 1998). Laju yang diakibatkan adanya elektronik coupling antara LUMO dan pita konduksi TiO2 tersebut membuat level fermi pada semikonduktor dan potensial redoks elektrolit berkurang seiring dengan kehadiran H+. Peningkatan tersebut akan mempercepat proses injeksi elektron, sehingga meningkat pula arus listrik yang dihasilkan (Sun, 2009). Penurunan level fermi membuat tegangan sirkuit terbuka Voc berkurang sedikit demi sedikit seiring peningkatan kadar keasaman (Kalyanasundaram dkk, 1998). Selain itu, jumlah rapat keadaan akseptor muatan meningkat seiring dengan peningkatan kadar keasaman yang berdampak pada meningkatnya laju injeksi elektron. Peningkatan tersebut akan meningkatkan densitas arus pendek Jsc yang dihasilkan oleh devais (Durrant dkk, 2008). Hal itu terbukti dengan peningkatan nilai densitas arus pendek sebesar 0,254 mA/cm2 dan terjadi penurunan tegangan sirkuit terbuka sebesar 0,033 V pada kondisi asam. Sebaliknya berkurangnya kadar ion asam pada fotosensitizer dapat meningkatkan energi pita konduksi. Selain itu, keberadaan gugus koadsorpsi mampu mengurangi terjadinya rekombinasi muatan dan meningkatkan injeksi elektron sehingga berdampak pada meningkatnya densitas arus pendek sebesar 0,452 mA/cm2 setelah ditambahkan gugus koadsorpsi asam asetat 2% (Kumara dkk, 2005). IV.4
Analisis Performansi Kulit Citrus sinesis (L), Salacca zalacca, dan Musa sapientum sebagai Natural Dye Fotosensitizer Karotenoid pada Aplikasi DSSC dengan TiO2 Nanopartikel
Gambar IV.9 di bawah menunjukkan spektra absorpsi UV-Vis karotenoid Citrus sinesis (L), Salacca zalacca, dan Musa sapientum. Ekstrak Citrus sinesis (L) menggunakan etanol pada pH 1,5 menghasilkan puncak absorpsi pada 414 nm, 446 nm, dan 481 nm. Ekstrak Salacca zalacca menggunakan etanol pada pH 1,5 menghasilkan puncak absorpsi pada 414 nm, 441 nm, 463 nm dan 481 nm. Ekstrak Musa sapientum menggunakan etanol pada pH 1,5 menghasilkan puncak absorpsi pada 414 nm, 444 nm, dan 481 nm. Absorpsi gelombang tersebut mengindikasikan kandungan karotenoid pada semua bahan (Yamazaki dkk, 2007; Lai dkk 2007; Kumara dkk, 2005). Berdasarkan hasil analisis tersebut tampak bahwa molekul dye hasil ekstraksi dari Citrus sinesis (L) menghasilkan intensitas absorpsi gelombang yang lebih tinggi dibandingkan dengan Salacca zalacca, dan 53
Musa sapientum. Selain itu, molekul dye hasil ekstraksi dari Salacca zalacca juga menghasilkan intensitas absorpsi gelombang yang lebih tinggi dibandingkan dengan Musa sapientum.
Gambar IV.9 Spektrum trum absorpsi natural dye karotenoid untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 dengan memanfaatkan kulit (a) Citrus sinesis (L), (b) Salacca zalacca, dan (c) Musa sapientum Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperolehh karakteristik J-V DSSC untuk fotosensitizer karotenoid
Photocurrent (mA.cm-2)
seperti dijelaskan pada gambar IV.10 dan tabel IV.3 di bawah ini:
Gambar IV.10
1,000 (a) 0,800 0,600 (b) 0,400 (c) (d) 0,200 (f) (e) 0,000 0,000
0,200 0,400 0,600 Potential (V) Kurva rapat arus-tegangan arus tegangan DSSC tersensitisasi natural dye karotenoid untuk ekstraksi ekstraksi etanol dengan memanfaatkan kulit (a) Citrus sinesis (L) pH 1,5, (b) Salacca zalacca pH 1,5, 1,5 (c) Musa sapientum pH 1,5, (d) Citrus sinesis (L)) pH 6,9, (e) Salacca zalacca pH 6,5, dan (f) Musa sapientum pH 6,9
54
Tabel IV.3 Performansi natural dye karotenoid sebagai fotosensitizer DSSC dibandingkan dengan hasil capaian efisiensi tertinggi penelitian terkini untuk masing-masing kategori menggunakan fotosensitizer karotenoid Natural Dye
pH
Jsc (mA/cm2)
Voc (V)
FF (%)
(%)
Kulit Citrus sinesis Kulit Salacca zalacca Kulit Musa sapientum
6,9 1,5 6,5 1,5 6,9 1,5
0,363 0,921 0,059 0,457 0,041 0,496
0,527 0,452 0,454 0,396 0,434 0,362
53% 45% 51% 46% 62% 42%
0,28% 0,52% 0,04% 0,23% 0,03% 0,21%
K.Japonica
7,0
0,751
0,553
70%
0,29%
Bixin Achiote Hibiscus
2,0
1,100
0,570
59%
0,37%
Crocetin
1,0
2,840
0,430
46%
0,56%
Erithrina
7,0
0,766
0,484
55%
0,21%
Keterangan
tanpa pemurnian
tanpa pemurnian +koadsorpsi proses pemurnian proses pemurnian proses pemurnian
Referensi
-
Hermalatha dkk, 2012 Ortiz dkk, 2010 Yamazaki dkk, 2007 Hao dkk, 2006
Perendaman TiO2 nanopartikel pada larutan dye kulit Citrus sinesis menghasilkan tingkat performansi terbaik dengan efisiensi sebesar 0,52% untuk penggunaan fotosensitizer pada kondisi asam tanpa melalui proses pemurnian dibandingkan dengan beberapa penelitian sebelumnya. Berdasarkan hasil tersebut dapat dianalisis bahwa efisiensi TiO2 berhubungan dengan koefisien absorpsi maksimum dari dye (Ortiz dkk, 2010). Jumlah cahaya yang diabsorpsi oleh larutan sebanding dengan jumlah partikel yang terdapat di dalamnya mengikuti hukum Lambert-Beer (Hermalatha dkk, 2012). Peningkatan koefisien absorpsi maksimum tersebut sebanding dengan peningkatan koefisien absorpsi cahaya tampak kulit Salacca zalacca yang lebih tinggi koefisien absorpsi cahaya tampak kulit Musa sapientum. Selain itu, hal tersebut berkorelasi dengan efisiensi DSSC dengan fotosensitizer Salacca zalacca yang lebih tinggi 0,02% dari efisiensi DSSC dengan fotosensitizer Musa sapientum. Namun, berdasarkan beberapa penelitian sebelumnya semakin tinggi konsentrasi dye pada batas tertentu akan berbanding terbalik dengan efek fotosensitisasi dikarenakan adanya limit adsorpsi fotosensitizer pada permukaan TiO2 (Yamazaki dkk, 2007). Konsentrasi berlebih pada natural dye memungkinkan terjadinya deposisi dye multilayer dan polimerisasi (Ortiz dkk, 2010). Sampai saat ini, penggunaan karotenoid sebagai fotosensitizer masih jauh lebih sedikit dibandingkan dengan jenis natural dye lainnya disebabkan panjangnya rantai gugus fungsional
55
karotenoid yang dapat menghambat adsorpsi pada film TiO2 (Yamazaki dkk, 2007). IV.5
Analisis Performansi Imperata cylindrica (L.) Beauv dan Paspalum conjugatum Berg sebagai Natural Dye Fotosensitizer Klorofil pada Aplikasi DSSC dengan TiO2 Nanopartikel
Gambar IV.11 di bawah menunjukkan spektra absorpsi UV-Vis klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv dan Paspalum conjugatum Berg pada kondisi netral dan asam. Kondisi asam memicu terjadinya pergeseran merah (bathochromic shift) puncak absorpsi spektra kedua macam bahan disebabkan adanya agregasi ion Mg2+ klorofil dalam pelarut polar (Lai dkk, 2007). Ekstrak Imperata cylindrica (L.) Beauv dan Paspalum conjugatum Berg menggunakan etanol pada pH 6,9 dan pH 1,5. Ekstrak Imperata cylindrica ini pada kondisi netral menghasilkan puncak absorpsi pada 440 nm, 650 nm, dan 676 nm dan kondisi asam menghasilkan puncak absorpsi pada 425 nm, 448 nm, 665 nm dan 683 nm. Ekstrak Paspalum conjugatum Berg pada kondisi netral menghasilkan puncak absorpsi pada 440 nm, 650 nm, dan 676 nm dan kondisi asam menghasilkan puncak absorpsi pada 425 nm, 450 nm, 665 nm dan 683 nm. Absorpsi gelombang tersebut mengindikasikan kandungan klorofil a dan b pada ekstrak Imperata cylindrica (L.) Beauv dan Paspalum conjugatum Berg (Connell dkk, 2010; Chang dkk, 2010; Lai dkk, 2007).
Gambar IV.11
Spektrum absorpsi natural dye klorofil untuk ekstraksi etanol menggunakan (a) Imperata cylindrica (L.) Beauv pH 6,9, (b) Paspalum conjugatum Berg. pH 6,9, (c) Imperata cylindrica (L.) Beauv pH 1,5, dan (d) Paspalum conjugatum Berg. pH 1,5
56
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik J-V DSSC untuk fotosensitizer klorofil klor seperti
Photocurrent (mA.cm-2)
dijelaskan pada gambar IV.12 dan tabel IV.4 di bawah ini:
Gambar IV.12
1,400 (d) 1,200 1,000 (c) 0,800 0,600 (b) 0,400 (a) 0,200 0,000 0,000
0,200 0,400 Potential (V)
0,600
Kurva rapat arus-tegangan arus tegangan DSSC tersensitisasi natural dye klorofil untuk ekstraksi etanol menggunakan (a) Imperata cylindrica (L.) Beauv pH 6,9, (b) Paspalum conjugatum Berg. pH 6,9, (c) Imperata cylindrica (L.) Beauv pH 1,5, dan (d) Paspalum conjugatum Berg. pH 1,5
Berdasarkan tabel IV.4 di bawah terlihat bahwa efisiensi DSSC yang menggunakan dye klorofil dari Paspalum conjugatum Berg pada da kondisi asam menghasilkan efisiensi tertinggi dengan nilai 0,69%. Dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya terlihat bahwa efisiensi DSSC menggunakan natural dye klorofil Paspalum conjugatum Berg menunjukkan hasil capaian tertinggi penggunaan natural ral dye dengan tanpa proses pemurnian menggunakan TiO2 nanopartikel murni tanpa penambahan logam lainnya pada kondisi asam dan netral. Tabel IV.4 Performansi natural dye klorofil sebagai fotosensitizer DSSC pada kondisi asam dan netral Jsc Voc FF Natural Dye pH Referensi (mA/cm2) (V) (%) (%) Imperata cylindrica 6,9 0,576 0,540 50,6% 0,44% (L.) Beauv 1,5 0,984 0,443 39,7% 0,48% Paspalum 6,9 0,580 0,555 55,5% 0,50% conjugatum Berg 1,5 1,253 0,458 43,4% 0,69% Kelp leaf 7,0 0,433 0,441 62,0% 0,12% Hao dkk, 2006 Herba artemisiae 7,0 1,030 0,484 62,8% 0,34% Zhou dkk, 2011 7,0 0,914 0,540 56,3% 0,28% Chang dkk, 2010 Ipomea leaf 1,0 1,120 0,565 59,2% 0,32% Chang dkk, 2010 Peningkatan kadar keasaman larutan dye klorofil ofil memicu peningkatan intensitas absorpsi spektrum cahaya tampak (Chang dkk, 2010). Lebih lanjut, efisiensi 57
konversi fotoelektrik klorofil Paspalum conjugatum Berg lebih tinggi pada kondisi asam 0,69% dan netral 0,50% dibandingkan dengan efisiensi konversi fotoelektrik klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv pada kondisi asam 0,48% dan netral 0,44%. Hal ini terjadi karena intensitas absorpsi spektrum cahaya tampak Paspalum conjugatum Berg lebih luas pada kondisi netral dan asam dibandingkan dengan intensitas absorpsi spektrum cahaya tampak Imperata cylindrica (L.) Beauv pada kondisi netral dan asam. Peningkatan kadar keasaman Paspalum conjugatum Berg dari pH 6,9 menuju pH 1,5 mampu meningkatkan efisiensi sebesar 0,19% dan peningkatan kadar keasaman Paspalum conjugatum Berg dari pH 6,9 menuju pH 1,5 mampu meningkatkan efisiensi sebesar 0,04%. Di sisi lain, peningkatan kadar keasaman fotosensitizer natural dye berdampak pada penurunan nilai fill factor pada kedua jenis bahan. Penurunan tersebut dapat disebabkan karena meningkatnya korosivitas fotosensitizer yang berdampak pada degradasi elektrolit akibat penurunan konsentrasi ion triiodida sehingga terjadi peningkatan impedansi difusi elektron dan berpengaruh terhadap rasio jumlah elektron yang dihasilkan dan dialirkan keluar film (Ashgar, 2011). IV.6
Analisis Karakteristik Perubahan Rapat Arus, dan Fill Factor terhadap Efisiensi DSSC tanpa Penyekatan Menggunakan Natural Dye Antosianin Ipomea pescapreae dan Klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik perubahan rapat arus terhadap efisiensi DSSC untuk fotosensitizer antosianin dan klorofil dijelaskan pada gambar IV.13 di bawah ini:
Efisiensi (%)
Rapat Arus (mA.cm-2)
(d) (b) (c) (a) 0
Gambar IV.13
50 Waktu (menit)
100
Kurva karakteristik pengaruh perubahan rapat arus terhadap perubahan efisiensi DSSC tanpa penyekatan dengan kondisi fotosensitizer pada pH 1,5 dalam pelarut etanol + asam asetat 2% di bawah pencahayaan solar simulator 36 mW/cm2, (a) kurva 58
perubahan rapat arus DSSC dengan natural dye klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv dan (b) antosianin Ipomea pescapreae, (c) kurva perubahan efisiensi DSSC dengan natural dye klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv, dan (d) antosianin Ipomea pescapreae Berdasarkan grafik di atas terlihat bahwa terjadi peningkatan rapat arus devais selama proses pengukuran mulai menit ke 0 sampai menit ke 90 untuk kedua jenis fotosensitizer. Peningkatan tersebut sebagai akibat dari peningkatan laju difusi elektron dan regenerasi dye di bawah pencahayaan. Hidroksilasi gugus kromofor pada molekul dye terjadi secara perlahan hingga sebagian besar molekul dye menghasilkan separasi muatan (Kalyanasundaram dkk, 1998). Selanjutnya elektron terinjeksi meuju fotoelektrode TiO2 dan keluar melalui sirkuit (Lee dkk, 2011). Perubahan tersebut berdampak lebih dominan terhadap peningkatan efisiensi devais dengan gradien yang berbeda bagi kedua jenis fotosensitizer mulai pengukuran 0 menit sampai 30 menit. Setelah menit ke 30 sampai dengan menit ke 90, performansi devais relatif stabil kemudian terjadi penurunan efisiensi devais secara perlahan-lahan pada kedua jenis fotosensitizer sebagai akibat dari penurunan nilai fill factor yang lebih dominan. Karakteristik perubahan fill factor terhadap efisiensi DSSC untuk fotosensitizer antosianin dan klorofil dijelaskan pada gambar IV.14 di bawah ini:
(a)
Efisiensi (%)
Fill Factor (%)
(b)
(d) (c) 0
Gambar IV.14
50 Waktu (menit)
100
Kurva karakteristik pengaruh perubahan fill factor terhadap perubahan efisiensi DSSC tanpa penyekatan dengan kondisi fotosensitizer pada pH 1,5 dalam pelarut etanol + 2% asam asetat di bawah pencahayaan solar simulator 36 mW/cm2, (a) kurva perubahan fill factor DSSC dengan natural dye klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv dan (b) antosianin Ipomea pescapreae, (c) kurva perubahan efisiensi DSSC dengan natural dye klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv, dan natural dye antosianin Ipomea pescapreae
59
DSSC tanpa penyekatan berdampak signifikan terhadap penguapan elektrolit redoks. Penguapan tersebut berdampak pada degradasi ion triiodida yang akan meningkatkan impedansi difusi dan laju rekombinasi yang juga berdampak pada menurunnya nilai fill factor secara perlahan-lahan (Gong dkk, 2012; Ashgar, 2011). IV.7
Analisis Pengaruh Pencampuran Natural Dye Antosianin Ipomea pescapreae dan Klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv terhadap Efisiensi DSSC
Gambar IV.15 di bawah menunjukkan spektra absorpsi UV-Vis antosianin Ipomea pescapreae, dan spektra absorpsi UV-Vis klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv, serta spektra absorpsi UV-Vis gabungan keduanya untuk ekstraksi etanol + asam asetat 2% pada pH 1,5. Ekstrak antosianin Ipomea pescapreae menghasilkan puncak absorpsi pada 526 nm. Ekstrak klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv menghasilkan puncak absorpsi pada 656 nm. Ekstrak gabungan antosianin dan klorofil menghasilkan puncak absorpsi pada 516 nm, dan 650 nm. Absorpsi gelombang gabungan kedua fotosensitizer tersebut mengindikasikan terdapat dua kandungan bahan pada fotosensitizer gabungan tersebut (Furukawa dkk, 2007; Chang dkk 2010; Wongcharee dkk, 2007). Penggabungan kedua dye menghasilkan pergeseran hypsochromic (pergeseran biru) sebagai indikasi dari penyesuaian intensitas dan energi gap insiden cahaya dari kedua bahan (Hao dkk, 2006).
Gambar IV. 15 Spektrum absorpsi natural dye untuk ekstraksi etanol + 2% asam asetat pada pH 1,5 dengan menggunakan (a) Ipomea pescapreae, (b) Imperata cylindrica (L.) Beauv, dan (c) gabungan (1:1) antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv
60
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik J-V DSSC untuk tiga jenis fotosensitizer seperti
Photocurrent (mA.cm-2)
dijelaskan pada gambar IV.16 dan tabel IV.5 di bawah:
Gambar IV.16
1,500 1,000 0,500
(a) (c) (b)
0,000 0,000
0,200 0,400 0,600 Potential (V) Kurva rapat arus-tegangan arus tegangan DSSC tersensitisasi natural dye untuk ekstraksi etanol + koadsorpsi asam asetat 2% pada pH 1,5 dengan menggunakan (a) Ipomea pescapreae,, (b) Imperata cylindrica (L.) Beauv, dan (c) gabungan (1:1) antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv
Berdasarkan tabel IV.5, kombinasi fotosensitizer antosianin dan klorofil dapat meningkatkan efisiensi konversi fotoelektrik DSSC (Chang dkk, 2010). Dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya, sebelumnya, kombinasi antosinin dan klorofil dengan penambahan koadsorpsi asam asetat 2% berdampak pada peningkatan efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan kombinasi antosianin dan klorofil tanpa penambahan koadsorpsi (Chang dkk, 2010; Kumara dkk, 2005). Tabel IV.5 Pengaruh penggabungan natural dye antosianin dan klorofil sebagai fotosensitizer DSSC dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya Jsc Voc FF Efisiensi Natural Dye Referensi (mA/cm2) (V) (%) (%) klorofil 0,750 0,387 33,7% 0,27% antosianin 1,346 0,393 37,7% 0,55% klorofil+antosianin (1:1) 1,160 0,450 52,4% 0,76% klorofil 2,050 0,560 52,0% 0,59% Chang dkk, antosianin 1,890 0,555 49,0% 0,55% 2010 klorofil+antosianin (1:1) 2,800 0,530 49,0% 0,72% Terdapat rdapat beberapa alasan mengapa kombinasi fotosensitizer dapat meningkatkan efisiensi sel diantaranya: (1) kombinasi kombinasi sensitizer pada spektra absorpsi yang berbeda meningkatkan efisiensi dengan syarat orbital elektronik kedua sensitizer tidak saling overlap sehingga akan mengurangi transfer elektron dari kedua sensitizer secara bersaman (Guo dkk, 2005; Ogura dkk, 2009; Park dkk, 2012), 2012 (2)
61
ketika
kedua
fotosensitizer
bercampur,
keberadaan
koadsorpsi
dapat
meningkatkan injeksi elektron dengan menekan quenching konsentrasi (Kumara dkk, 2005; Chang dkk, 2010), (3) transfer elektron atau energi diantara kedua jenis pigmen molekul mencegah terjadinya rekombinasi muatan (Kumara dkk, 2005), (4) efek sinergetik pada kedua fotosensitizer setelah digabungkan menghasilkan perbedaan nilai rapat arus dan tegangan sirkuit terbuka pada devais dibandingkan dengan nilai tersebut pada fotosensitizer tunggal (Wongcharee dkk 2007), (5) kombinasi ligan karboksilat pada klorofil dan hidroksil pada antosianin yang mengikat TiO2 mempercepat efek coupling elektron pada pita konduksi TiO2 untuk meningkatkan laju transfer elektron (Chang dkk, 2010). IV.8
Analisis Stabilitas dan Degradasi Performansi DSSC berbasis Natural Dye Fotosensitizer Antosianin dan Klorofil dengan TiO2 Nanopartikel Tanpa Penyekatan
Berdasarkan hasil pengukuran efisiensi menggunakan solar simulator selama 28 hari, diperoleh karakteristik stabilitas dan degradasi DSSC untuk fotosensitizer
Efisiensi (%)
antosianin dan klorofil seperti dijelaskan pada gambar IV.17 di bawah: y = -2E-05x + 0,004 (b)
0,50% 0,40%
(a)
y = -7E-06x + 0,004
0,30% 0,20% 0
10
20
30
Waktu (Hari) Gambar IV.17 Kurva perbandingan stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi (a) natural dye antosianin Ipomea pescapreae dengan (b) natural dye klorofil Paspalum conjugatum Berg menggunakan ekstraksi etanol pada pH 1,5 di bawah penyinaran 36 mW/cm2 selama 60 menit Berdasarkan grafik di atas, terlihat bahwa kemiringan grafik (b) lebih curam dibandingkan
dengan
kemiringan
grafik
(a).
Kemiringan
tersebut
mengindikasikan perubahan efisiensi devais dalam beberapa kali pengukuran. DSSC tanpa penyekatan dengan sistem reinjeksi elektrolit 15 μL menggunakan natural dye antosianin Ipomea pescapreae terlihat lebih stabil dibandingkan dengan performansi DSSC menggunakan natural dye klorofil Paspalum
62
conjugatum Berg. Perbedaan elektronik coupling antara LUMO-CB untuk fotosensitizer klorofil dan antosianin (Listorti dkk, 2011), serta laju desorpsi fotosensitizer dari fotoelektrode TiO2 untuk kedua fotosensitizer diduga menjadi penyebab perbedaan performansi yang dihasilkan kedua devais tanpa penyekatan jangka panjang (Ashgar, 2011). Struktur klorofil yang relatif lebih panjang dan kompleks dibandingkan dengan antosianin ketika berikatan dengan TiO2 menjadi salah satu penyebab terjadinya perbedaan laju desorpsi fotosensitizer dari fotoelektrode TiO2 (Wongcharee dkk, 2007; Chang dkk, 2010). Jika dianalisis lebih jauh, maka penurunan efisiensi devais tersebut terjadi akibat beberapa sebab diantaranya: (1) akibat kebocoran iodin pada DSSC tanpa penyekatan yang akan meningkatkan resistansi internal devais secara keseluruhan dengan berkurangnya konsentrasi pembawa muatan (Gong dkk, 2012), (2) penetrasi air atau molekul oksigen ke dalam devais tanpa penyekatan mengakibatkan terhalangnya kontak antara elektrolit redoks dengan fotoelektrode sehingga proses regenerasi dye oleh ion iodin menjadi terhambat (Lin dkk, 2006; Martinez dkk, 2011), (3) desorpsi dye mengakibatkan degradasi fotoelektrode akibat pergeseran keseimbangan antara dye teradsopsi pada TiO2 dan dye yang terlarut dalam elektrolit (Ashgar, 2011), (4) terdifusi dan teradsorpsinya elektrode lawan pada film TiO2 berdampak pada stabilitas fotoelektrode disebabkan
berkurangnya lifetime separasi muatan (Ashgar, 2011), (5) terjadinya reaksi kimia antara substrat atau katalis dengan elektrolit akibat korosivitas elektrolit dan fotosensitizer dalam suasana asam (Ashgar, 2011). IV.8.1 Stabilitas dan degradasi DSSC menggunakan fotosensitizer antosianin Ipomea pescaprea
natural
dye
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik J-V DSSC menggunakan fotosensitizer antosianin Ipomea pescaprea pada pengukuran seperti dijelaskan pada gambar IV.18 dan tabel IV.6 di bawah ini:
63
Photocurrent (mA.cm-2)
0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 0,000
hari 1 hari 7 hari 14 hari 21 hari 28
0,500 Potential (V) Gambar IV.18 Kurva rapat arus-tegangan DSSC tersensitisasi natural dye antosianin Ipomea pescapreae untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 di bawah penyinaran 36 mW/cm2 selama 60 menit Tabel IV.6 Stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi natural dye antosianin Ipomea pescapreae menggunakan ekstraksi etanol pada pH 1,5 di bawah penyinaran 36 mW/cm2 selama 60 menit Hari ke 1 7 14 21 28
Jsc (mA/cm2) 0,667 0,563 0,590 0,552 0,558
Voc (V) 0,499 0,480 0,492 0,504 0,499
FF (%) 49% 53% 52% 51% 55%
Efisiensi (%) 0,45% 0,40% 0,42% 0,40% 0,43%
Simpangan Efisiensi (%)
0,022%
Berdasarkan tabel IV.6, terlihat bahwa terjadi fluktuasi nilai Jsc, Voc, FF dan efisiensi devais menggunakan fotosensitizer pada beberapa kali pengukuran (Patrocinio dkk, 2009). Nilai densitas arus pendek devais yang perlahan-lahan berkurang nilainya berkontribusi signifikan terhadap menurunnya efisiensi devais (Ashgar, 2011; Durrant dkk, 2008). Berdasarkan penelitian sebelumnya, penurunan nilai tersebut disebabkan karena terjadinya degradasi fotoelektrode TiO2 akibat meningkatnya resistansi internal akibat desorpsi dye dari TiO2. Tingkat korosivitas elektrolit dan fotosensitizer serta penyekatan devais yang kurang sempurna berdampak pada bocornya elektrolit serta berkurangnya konsentrasi ion triiodida di bawah pencahayaan. Akibatnya impedansi difusi elektron pada fotoelektrode meningkat dan berdampak pada meningkatnya resistansi internal devais. Proses reinjeksi elektrolit yang terjadi secara terus menerus pada devais mengakibatkan teradsorpsinya elektrode balik pada fotoelektrode TiO2 (Ashgar, 2011).
64
IV.8.2 Stabilitas dan degradasi DSSC menggunakan fotosensitizer klorofil Paspalum conjugatum Berg
natural
dye
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik J-V DSSC menggunakan fotosensitizer klorofil Paspalum conjugatum Berg pada pengukuran seperti dijelaskan pada gambar
Photocurrent (mA.cm-2)
IV.19 dan tabel IV.7 di bawah ini: 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
hari 1 hari 7 hari 14 hari 21 hari 28
0
0,2
0,4 0,6 Potential (V) Gambar IV.19 Kurva stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi natural dye klorofil Paspalum conjugatum Berg menggunakan ekstraksi etanol pada pH 1,5 di bawah penyinaran 36 mW/cm2 selama 60 menit Tabel IV.7 Stabilitas efisiensi DSSC tersensitisasi natural dye klorofil Paspalum conjugatum Berg menggunakan ekstraksi etanol pada pH 1,5 di bawah penyinaran 36 mW/cm2 selama 60 menit Hari ke 1 7 14 21 28
Jsc (mA/cm2) 0,608 0,716 0,689 0,568 0,595
Voc (V) 0,527 0,480 0,446 0,524 0,479
FF (%) 54% 48% 50% 56% 50%
Efisiensi (%) 0,48% 0,46% 0,43% 0,46% 0,40%
Simpangan Efisiensi (%)
0,032%
Berdasarkan tabel IV.7, terlihat bahwa terjadi fluktuasi nilai Jsc, Voc, FF dan efisiensi devais menggunakan fotosensitizer pada beberapa kali pengukuran (Patrocinio dkk, 2009). Fluktuasi nilai tersebut diakibatkan oleh beberapa faktor diantaranya: (1) fluktuasi level fermi di bawah pencahayaan berdampak pada nilai tegangan keluaran maksimal devais yang dihasilkan (Sun dkk, 2009), (2) fluktuasi jumlah rapat keadaan permukaan TiO2 menentukan laju injeksi elektron pada pita konduksi TiO2 (Listorti dkk, 2011), (3) perbedaan rata-rata peluruhan fotosensitizer tereksitasi menentukan jumlah elektron yang diinjeksikan menuju pita konduksi TiO2 (Listorti dkk, 2011), (4) perbedaan laju penguapan elektrolit di bawah pencahayaan akibat penyekatan yang kurang sempurna menentukan 65
potensial energi antara pita konduksi TiO2 dengan pita valensi TiO2 (Durrant dkk, 2008). IV.9
Analisis Perbandingan Performansi Antosianin Ipomea pescaprea, Karotenoid Citrus sinesis (L), dan Klorofil Paspalum conjugatum sebagai Natural Dye Fotosensitizer pada Aplikasi DSSC dengan TiO2 Nanopartikel
Berdasarkan hasil analisis spektroskopi FTIR, diperoleh grafik spektrum fourier transform infrared untuk dye antosianin, karotenoid, dan klorofil yang diperoleh dari beberapa hasil ekstraksi bunga Ipomea pescaprea, kulit jeruk Citrus sinesis (L), rumput Paspalum conjugatum Berg seperti ditunjukkan pada gambar IV.20 di bawah ini:
Gambar IV.20
Spektrum fourier transform infrared untuk dye antosianin Ipomea pescaprea, karotenoid Citrus sinesis (L), dan klorofil Paspalum conjugatum
Pada natural dye bunga Ipomea pescaprea terjadi vibrasi gugus fungsional utama yang mengindikasikan kandungan antosianin yaitu pada 1872,8 cm-1 terjadi vibrasi uluran lemah pembentukan antosianin parsial quinonoidal dengan gugus fungsional >C=O (Hemalatha dkk, 2012). Pada natural dye kulit jeruk Citrus sinesis (L) mengindikasikan kandungan karotenoid yaitu pada 2958,7 cm-1 terjadi vibrasi regangan asimetris –CH3 dari alkil alkana dan pada 1627,8 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C=C alkena alifatik yang merupakan ciri dari ikatan karbon rantai panjang karotenoid (Hemalatha dkk, 2012). Selain itu, pada natural dye Paspalum conjugatum mengindikasikan kandungan klorofil yaitu pada 2500 cm-1 -3700 cm-1 terjadi vibrasi regangan dengan pita sangat lebar asam karboksilat
66
-COOH, pada 2094,6 cm-1 terjadi vibrasi uluran tajam C=N sebagai indikasi kandungan klorofil pada dye, dan pada 1485,1 cm-1 terjadi vibrasi regangan C=C aromatik yang berasal dari benzena (Chang dkk, 2010). Gambar IV.21 di bawah menunjukkan spektra absorpsi UV-Vis antosianin, karotenoid, klorofil, dan gabungan antosianin-klorofil pada kondisi asam. Penambahan asam asetat yang bersifat polar pada gabungan natural dye antosianin-klorofil mengakibatkan terjadinya pergeseran merah puncak absorpsi spektra antosianin dari 526 nm ke 516 nm dan puncak absorpsi klorofil dari 665 nm ke 650 nm disebabkan adanya interaksi gugus polar molekul dye dengan pelarut dan meningkatkan intensitas absorpsi gelombang (Tadesse dkk, 2012; Hemalatha dkk, 2012; Hao dkk, 2005). Selain itu, keberadaan koadsorpsi pada molekul dye mampu meningkatkan ikatan dengan TiO2 (Kumara dkk, 2005; Calogero dkk, 2008).
Gambar IV.21
Perbandingan spektrum absorpsi natural dye untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 dengan menggunakan antosianin Ipomea pescapreae, karotenoid Citrus sinesis (L), klorofil Paspalum conjugatum,dan (c) gabungan (1:1) antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv dengan penambahan koadsorpsi asam asetat 2%
Berdasarkan hasil pengukuran rapat arus dan tegangan menggunakan solar simulator, diperoleh karakteristik J-V DSSC dengan efisiensi tertinggi untuk fotosensitizer antosianin, karotenoid, klorofil, dan gabungan antosianin-klorofil seperti dijelaskan pada gambar IV.22 dan tabel IV.8 di bawah ini:
67
Photocurrent (mA.cm-2)
1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000
(c) (d) (a) (b)
0,000
0,200 0,400 Potential (V)
Gambar IV.22 Perbandingan spektrum absorpsi natural dye untuk ekstraksi etanol pada pH 1,5 dengan menggunakan (a) antosianin Ipomea pescapreae, (b) karotenoid Citrus sinesis (L), (c) klorofil Paspalum conjugatum, dan (d) gabungan (1:1) antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv dengan penambahan koadsorpsi asam asetat 2% Berdasarkan tabel IV.8 di bawah terlihat bahwa efisiensi DSSC yang menggunakan penggabungan natural dye antosianin-klorofil dari Ipomea pescapreae dan Imperata cylindrica (L.) Beauv pada kondisi asam dengan penambahan koadsorpsi asam asetat 2% menghasilkan efisiensi tertinggi dengan nilai 0,76%. Kombinasi fotosensitizer antosianin dan klorofil dapat meningkatkan efisiensi konversi fotoelektrik DSSC (Chang dkk, 2010). Tabel IV.8 Perbandingan efisiensi tertinggi DSSC dengan menggunakan natural dye antosianin, karotenoid, klorofil, dan gabungan antosianin-klorofil sebagai fotosensitizer Jsc Voc FF Efisiensi Natural Dye (mA/cm2) (V) (%) (%) Antosianin Ipomea pescaprae 1,346 0,393 37,7% 0,55% Karotenoid Citrus sinesis (L) 0,921 0,452 44,9% 0,52% Klorofil Paspalum conjugatum 1,253 0,458 43,0% 0,69% Antosianin Ipomea pescaprae + 1,160 0,450 52,4% 0,76% Klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv
Berdasarkan hasil perbandingan beberapa jenis dye di atas, efisiensi TiO2 berhubungan pula dengan koefisien absorpsi maksimum dari dye (Ortiz dkk, 2010). Jumlah cahaya yang diabsorpsi oleh larutan sebanding dengan jumlah partikel yang terdapat di dalamnya (Hermalatha dkk, 2012). Peningkatan koefisien absorpsi maksimum tersebut sebanding dengan peningkatan efisiensi yang dihasilkan devais. Dibandingkan dengan antosianin dan klorofil, panjangnya rantai gugus fungsional karotenoid menjadi faktor penghambat kemampuan adsorpsi pada film TiO2 sehingga karotenoid menghasilkan efisiensi maksimal yang paling rendah (Yamazaki dkk, 2007). 68
Bab V Kesimpulan
V.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, diperoleh beberapa kesimpulan diantaranya: 1. Telah diperoleh efisiensi tertinggi DSSC lebih dari 0,60% yaitu sebesar 0,76% menggunakan gabungan fotosensitizer natural dye antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv dengan perbandingan 1:1 (v/v) pada suasana asam pH 1,5 ditambah dengan koadsorpsi asam asetat 2%. Selain itu, telah diperoleh pula efisiensi tertinggi DSSC sebesar 0,50% menggunakan fotosensitizer klorofil Paspalum conjugatum Berg pada suasana netral pH 6,9 tanpa proses pemurnian. 2. Penambahan gugus koadsorpsi asam asetat 2% meningkatkan efisiensi DSSC menggunakan fotosensitizer natural dye antosianin Ipomea pescaprea sebesar 0,02% pada suasana asam dari 0,53% menjadi 0,55%. 3. Pencampuran natural dye antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv mampu meningkatkan efisiensi DSSC dari 0,55% dan 0,27% menjadi 0,76%. 4. Perubahan rapat arus pendek pada pengukuran 0 menit sampai 30 menit lebih dominan berpengaruh terhadap peningkatan efisiensi devais dan perubahan fill factor pada pengukuran 45 menit sampai 90 menit lebih dominan berpengaruh terhadap penurunan efisiensi DSSC tanpa penyekatan menggunakan fotosensitizer antosianin dan klorofil. 5. Performansi DSSC tanpa penyekatan menggunakan fotosensitizer antosianin Ipomea pescapreae terlihat lebih stabil dengan perubahan efisiensi 0,022% dibandingkan
dengan
menggunakan
fotosensitizer
klorofil
Paspalum
conjugatum Berg dengan perubahan efisiensi 0,032% setelah diuji selama 28 hari. V.2 Saran Berdasarkan hasil penelitian, terdapat beberapa kekurangan yang bisa dijadikan alternatif untuk penelitian selanjutnya diantaranya: 1. Proses pemurnian fotosensitizer dengan menggunakan kromatografi kolom untuk memisahkan komponen-komponen pewarna yang terkandung di dalam bahan. 69
2. Analisis waktu dan temperatur optimal proses sensitisasi natural dye pada permukaan TiO2. 3. Analisis incident photon to current conversion efficiency (IPCE) untuk melihat pengaruh jumlah elektron yang digenerasi oleh cahaya melalui sirkuit eksternal dibandingkan dengan jumlah insiden foton menurut fungsi gelombang pada setiap natural dye. 4. Analisis konsentrasi optimal natural dye antosianin, karotenoid, dan klorofil sebagai fotosensitizer untuk DSSC.
70
DAFTAR PUSTAKA Abe, R.,Hara, K., Sayama, K., Domen, K., dan Arakawa, H. (2000) : Steady Hydrogen Evolution from Water on Eosin Y-Fixed TiO2 Photocatalyst using a SilaneCoupling Reagent under Visible Light Irradiation, Journal of Photochemistry and Photobiology A, 137, 63–69. Abe, R., Sayama, K.,dan Arakawa, H. (2004) : Dye-Sensitized Photocatalysts for Efficient Hydrogen Production from Aqueous I- Solution under Visible Light Irradiation, Journal of Photochemistry and Photobiology A, 166, 115–122. Asghar, M.I. (2011) : Stability Issues of Dye Solar Cells, Disertasi Program Doctor of Science in Technology, Aalto University School of Science, 22-68. Bae, E.,dan Choi, W. (2006) : Effect of The Anchoring Group (Carboxylate vs Phosphonate) in Ru-Complex-Sensitized TiO2 on Hydrogen Production under Visible Light, Journal of Physical Chemistry B, 110, 14792–14799. Bailey, S., dan Raffaelle, R. (2010) : Space Solar Cells and Applications, 431 – 436 dalam Fraas, L., dan Partain, L., Eds, Solar Cells and Their Applications Second Edition, 627 p., Wiley, New Jersey. Bazargan, MH. (2009) : Performance of Nanostructured Dye-Sensitized Solar Cell Utilizing Natural Sensitizer Operated with Platinum and Carbon Coated Counter Electrodes Digest, Journal of Nanomaterials and Biostructures, 723–727. Bei, M.B., Rui, G., Duo, W.L., Feng, Z.Y., Tao, S.Y., Yi, G., Peng, D.H., dan Yong, Q., (2010) : Rescent Progress in Interface Modification for Dye Sensitized Solar Cells, Springer Journal Science China Reviews, 53, 1669–1678. Bi, G.,Tian, S., Feng, Z., dan Cheng, J. (1996) : Study on the Sensitized Photolysis of Pyrethroids: Kinetic Characteristic of Photooxidation by Singlet Oxygen, Journal of Chemosphere, 32,1237–1243. Boschloo, G.,dan Hagfeldt, A. (2009) : Characteristics of The Iodide/triiodide Redox Mediator in Dye-SensitizedSolar Cells. Accounts of Chemical Research, 42, 1819–1826. Boschloo, G., Haggman, L., dan Hagfeldt, A. (2006) : Quantification of the Effect of 4Tert-Butylpyridine Addition to I-/I3- Redox Electrolytes in Dye-Sensitized Nanostructured TiO2Solar Cells. Journal of Physical Chemistry B, 110, 13144– 13150. Calogero, G., dan Marco, G.D. (2008) : Red Sicilian Orange and Purple Eggplant Fruits as Natural Sensitizers For Dye-Sensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Solar Energy Materials & Solar Cells, 92, 1341–1346.
71
Calogero, G., Marco, G.D., Cazzanti, S., Caramori, S., Argazzi, R., Carlo, A.D. (2010) : Efficient Dye-Sensitized Solar Cells using Red Turnip and Purple Wild Sicilian Prickly Pear Fruits, International Journal of Molecular Science, 11, 254-267. Calogero, G., Yumb, J.H., Sinopoli, A., Marco, G.D., Gra¨tzel, M., dan Nazeeruddin, M.K. (2012) : Anthocyanins and Betalains as Light-Harvesting Pigments for DyeSensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Solar Energy, 86, 1563–1575. Chang, H., dan Lo, Y.J. (2010) : Pomegranate Leaves and Mulberry Fruit as Natural Sensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Solar Energy, 84, 1833–1837. Chang, H., Wu, H.M., Chen, T.L., Huang, K.D., Jwo, C.S., dan Lo, Y.J. (2010) : DyeSensitized Solar Cell using Natural Dyes Extracted from Spinach and Ipomoea, Elsevier Journal of Alloys and Compounds, 495, 606–610. Chen, Y.S., Li, C., Zeng, Z.H., Wang, W.B., Wang, X.S., dan Zhang, B.W (2005) : Efficient Electron Injection Due to a Special Adsorbing Group’s Combination of Carboxyl and Hydroxyl: Dye-Sensitized Solar Cells Based on New Hemicyanine Dyes, Journal of Materials Chemistry, 15, 1654–1661. Cheung, S.T.C., Fung, A.K.M., dan Lam, M.H.W. (1998) : Visible Photosensitizen of TiO2 Photodegradation of CCl4 in Aqueous Medium, Journal of Chemosphere, 36, 2461–2473. Cho, Y.,Choi, W., Lee,C.H., Hyeon,T., dan Lee, H.I. (2001) : Visible Light-Induced Degradation of Carbon Tetrachloride on Dye-Sensitized TiO2,Journal of Environmental Science and Technology,35, 966–970. Connell, L.M., Li, G., dan Brudvig, G.W. (2010) : Energy Conversion in Natural and Artificial Photosynthesis, Elsevier Journal of Chemistry and Biology Review, 17, 434-447. Cui, H., Hwang, H.M., Cook, S., dan Zeng, K. (2001) : Effect of Photosensitizer Riboflavin on The Fate of 2,4,6-Trinitrotoluenein a Freshwater Environment, Journal of Chemosphere, 44, 621–625. Daeneke, T., Uemura, Y., Duffy, N.W., Mozer, A.J., Koumura, N., Bach, U., dan Spiccia, L. (2012) : Aqueous Dye-Sensitized Solar Cell Electrolytes Based on The Ferricyanide-Ferrocyanide Redox Couple. Journal of Advanced Materials. Deman, J.M. (1997) : Kimia Makanan Edisi Kedua, K. Padmawinata, Pent., ITB Press, Bandung. Dominici, L.,Colonna1, D., D’Ercole1, D., Mincuzzi1, G., Riccitelli, R., Michelotti, F., Brown, T.M., Reale, A.,dan Carlo, A.D., (2011) : Dye Solar Cells: Basic and Photon Management Strategies, 279-318 dalam Kosyachenko L.A., Eds, Solar Cells - Dye-Sensitized Devices, 492 p., InTech Europe, Croatia.
72
Durrant, J.R.,dan Gratzel, M. (2008) : Dye-Sensitised Mesoscopic Solar Cells,503536dalam Archer, M.D., dan Nozik, A.J.,Eds, Nanostructured and Photoelectrochemical Systems for Solar Photon Conversion, Imperial College Press: London. Escalada, J.P, Pajares, A., dan Gianotti, J. (2006) : Dye-Sensitized Photodegradation of The Fungicide Carbendazim and Related Benzimidazoles, Journal of Chemosphere, 65, 237–244. Fernando, J.M.R.V., dan Senadeera, G.K.R. (2008) : Natural Anthocyanins as Photosensitizers for Dye-Sensitized Solar Device, Current Science, 95, 663-666. Fung, A.K.M., Chiu, B.K.W., danLam, M.H.W. (2003) : Surface Modification of TiO2 by a Ruthenium(II) Polypyridyl Complexvia Silyl-Linkage for the Sensitized Photocatalytic Degradation of Carbon Tetrachloride by Visible Irradiation, Journal of Water Research, 37, 1939–1947. Furukawa, S., Lino, H., Iwamoto, T., Kukita, K., dan Yamauchi, S. (2009) : Characteristics of Dye-Sensitized Solar Cells using Natural Dye, Elsevier Journal of Thin Solid Films, 1-4. Garcia, C.G., Polo, A.S., dan Lha, N.Y.M. (2003) : Fruit Extracts and Ruthenium Polypyridinic Dyes for Sensitization of TiO2 in Photoelectrochemical Solar Cells, Elsevier Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 160, 87–91. Gong, J., Liang, J., dan Sumathy, K. (2012) : Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts andnovel materials, Elsevier Journal of Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 5848–5860. Grätzel, M. (2003) : Review Dye-sensitized solar cells, Elsevier Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 4,145–153. Guo, M., Diao, P., Ren, Y.J., Meng, F., Tian, H., dan Cai, S.M. (2005) : Photoelectrochemical Studies of Nanocrystalline TiO2 co-sensitized by Novel Cyanine Dyes, Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells, 88, 23–35. Han, L., Koide, N., Chiba, Y., Islam, A., dan Mitate, T. (2004) : Modeling of an Equivalent Circuitfor Dye-Sensitized Solar Cells. Journal Applied Physics Letters, 84, 2433–2435. Hao, S., Wu, J., Huang, Y., dan Lin, J. (2006) : Natural Dyes as Photosensitizers for Dye-Sensitized Solar Cell, Elsevier Journal of Solar Energy, 80, 209–214. Hara, K dan Arakawa, H. (2003) : Dye-sensitized Solar Cells, 692-699 dalam Luque, A., dan Hegedus, S., Eds., Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 1167 p., Wiley, England. Hemalatha, K.V., Karthick, S.N., Raj, C. J., Hong, N.Y., Kim, S.-K., dan Kim, H.-J. (2012) : Performance of Kerria Japonica and Rosa Chinensis Flower Dyes as
73
Sensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells, ElsevierJournal of Ectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 96, 305–309. Huang, S.Y., Schlichth¨orl, G., Nozik, A.J., Gratzel, M., dan Frank, A.J. (1997) : Charge Recombination in Dye-Sensitized Nanocrystalline TiO2 Solar Cells, Journal of Physical Chemistry B, 101, 2576–2582. Jha, A.R. (2010) : Solar Cell Technology and Applications, CRC Press, London, 58 – 60. Jing, D. dan Guo, L. (2007) : WS2 Sensitized Mesoporous TiO2for Efficient Photocatalytic Hydrogen Production from Waterunder Visible Light Irradiation,Journal of Catalysis Communications, 8, 795–799. Kalyanasundaram, K., dan Gratzel, M. (1998) : Applications of Functionalized Transition Metal Complexes in Photonic and Optoelectronic Devices, Journal of Coordination Chemistry Reviews, 77, 347–414. Kar, P., Verma, S.,Das,A., dan Ghosh, H.N. (2009) : Interfacial Electron Transfer Dynamics Involving a New Bis-Thiocyanate Ruthenium(II) - Polypyridyl Complex, Coupled Strongly to Nanocrystalline TiO2, through a Pendant Catecholate Functionality, Journal of Physical Chemistry C, 113,7970–7977. Kim, M.R., Park, S.H., Kim, J.Udan Lee, J.K. (2011) : Dye-Sensitized Solar Cells Based on Polymer Electrolytes, 223-225 dalam Kosyachenko, L.A., Eds, Solar Cells - Dye-Sensitized Devices, 492 p., InTech, Croatia. Kopidakis, N., Neale, N.R., dan Frank, A.J. (2006) : Effect of an Adsorbent on Recombinationand Band-Edge Movement in Dye-Sensitized TiO2 Solar Cells: Evidencefor Surface Passivation. Journal of Physical Chemistry B, 110, 12485– 12489. Kumaraa, G.R.A., Kanekoa, S., Okuyaa, M., Agyeman, B.O., Konno, A., Tennakone, K. (2005) : Shiso Leaf Pigments for Dye-Sensitized Solid-State Solar Cell, Elsevier Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells, 90, 1220–1226. Kuo, C.G., dan Sheen, B.J. (2011) : Seaweed Chlorophyll on the Light-electron Efficiency of DSSC, Journal of the Chinese Chemical Society, 58, 186-190. Kushwaha, S., dan Bahadur, L. (2012) : Natural Alkannin and Anthocyanin as Photosensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells, IEEE Journal of Photovoltaics, 12, 978-983. Lai, W.H., Sub, Y.H., Teoh, L.G., dan Hon, M.H. (2007) : Commercial and Natural Dyes as Photosensitizers for a Water-Based Dye-Sensitized Solar Cell Loaded with Gold Nanoparticles, Elsevier Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 195, 307–313. Lan, Z., Wu, J., Wang, D., Hao, S., Lin, J., dan Huang, Y. (2007) : Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Based on a Gol–Gel Organic–Inorganic Composite 74
Electrolyte Containing an Organic Iodide Salt. Journal of Solar Energy, 81, 117– 122. Larson, R.A., Stackhouse, P. L.,dan Crowley, T.O. (1992) : Riboflavin Tetraacetate: a Potentially Useful Photosensitizing Agent for The Treatment of Contaminated Waters, Journal Environmental Science and Technology, 26, 1792–1798. Lee, J.K., dan Yang, M., (2011) : Review Progress in Light Harvesting and Charge Injection of Dye Sensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Materials Science and Engineering B, 176, 1142-1160. Lin, C.K., Yang, T.J., Feng Y.C., Tsung, I.T., dan Su, C.Y. (2006) : Characterization of Electrophoretically Deposited Nanocrystaline Titanium Dioxide Films, Journal of Surface and Coating Technology, 200, 3184-3189. Listorti, A., Regan, B.O., dan Durrant, J.R. (2011) : Electron Transfer Dynamics in Dye-Sensitized Solar Cells, ACS Chemistry of Material Reviews, 23, 3381–3399. Luo, P., Niu, H., Zheng, G., Bai, X., Zhang, M., dan Wang, W. (2009) : From Salmon Pink to Blue Natural Sensitizers for Solar Cells: Canna indica L., Salvia splendens, Cowberry and Solanum nigrum L, Elsevier Journal of Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 1-22. Martinez, A.R.H., Estevez, M., Vargas , S., Quintanilla F., dan Rodriguez R. (2012) : New Dye-Sensitized Solar Cells Obtained from Extracted Bracts of Bougainvillea Glabra and Spectabilis Betalain Pigments by Different Purification Processes, International Journal of Molecular Sciences, 12, 5565-5576. Mawyin, J.A. (2009) :Characterization of Anthocyanin Based Dye-Sensitized Organic Solar Cells (DSSC) and Modifications Based on Bio-Inspired Ion Mobility Improvements, Disertasi Program Doktor, Stony Brook University, 1 – 112. Narayan, M.R. (2012) : Review Dye Sensitized Solar Cells Based on Natural Photosensitizers, ElsevierJournal of Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 208-215. Nazeeruddin, M.K., Baranoff, E., Gratzel, M., (2011) : Dye Sensitized Solar Cells: A Brief Overview, Elsevier Journal of Solar Energy, 85, 1172-1178. Ogura, R.Y., Nakane, S., Morooka, M., Orihashi, M., Suzuki, Y., dan Noda, K. (2009) : High-Performance Dye-Sensitized Solar Cellwith a Multiple Dye System, Applied Physics Letters, 94, 3 pages. Ooyama, Y.,dan Harima, Y. (2009) : Molecular Designs and Syntheses of Organic Dyes for Dye-Sensitized Solar Cells, Willey Journal of Organic Chemistry, 2903–2934. Oprea, C.I., Dumbrava, A.D., Enache, I., Georgescu, A., dan Girtu, M.A., (2012) : A Combined Experimental and Theoretical Study of Natural Betalain Pigments Used in Dye Sensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 240, 5-13. 75
Ortı´z, N.M.G., Maldonado, I.A.V., Espadas, A.R.P., Rejo ´n, G.J.M., Barrios, J.A.A., dan Oskama, G. (2009) : Dye-Sensitized Solar Cells with Natural Dyes Extracted from Achiote Seeds, Elsevier Journal of Solar Energy Materials & Solar Cells, 94, 40–44. Park, K.H., Kim, T.Y., Park, J.Y., Jin, E.M., Choi, D.Y., dan Lee, J.W. (2012) : Photochemical Properties of Dye-Sensitized Solar Cell Using Mixed Natural Dyes Extracted from Gardenia Jasminoide Ellis, 26,1-24. Park, K.H., Kim, T.Y., Park, J.Y., Jin, E.M., Choi, D.Y., dan Lee, J.W. (2013) : Adsorption Characteristics of Gardenia Yellow as Natural Photosensitizer for Dye-Sensitized Solar Cells, Journal of Dye and Pigments 96, 595-601. Patrocínio, A.O.T., Mizoguchi, S.K., Paterno, L.G., Garcia, C.G., dan N.Y. Murakami, N.Y. (2009) : Efficient and Low Cost Devices for Solar Energy Conversion: Efficiency and Stability of Some Natural-Dye-Sensitized Solar Cells, Journal of Synthetic Metals, 159, 2342–2344. Pei, D., dan Luan, J, (2012) : Development of Visible Light-Responsive Sensitized Photocatalysts, International Journal of Photoenergy, 10, 1-13. Peng, T., Dai, K., Yi, H., Ke, D., Cai, P., dan Zan, L. (2008) : Photosensitization of Different Ruthenium (II) Complex Dyes on TiO2 for Photocatalytic H2 Evolution under Visible-Light, Chemical Physics Letters, 460, 216–219. Phadke, S.A. (2010) : Dye Sensitized Solar Cells with Templated TiO2 Coatings, Disertasi Program Doktor Philosophy, State University of New Jersey, 18. Polo, A.S., dan Lha, N.Y.M. (2006) : Blue Sensitizers for Solar Cells: Natural Dyes from Calafate and Jaboticaba, Elsevier Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells, 90, 1936–1944. Puangpetch, T., Sommakettarin, P., Chavadej, S., dan Sreethawong, T. (2010) : Hydrogen Production from Water Splitting over Eosin Y-Sensitized MesoporousAssembled Perovskite Titanate Nanocrystal Photocatalysts under Visible Light Irradiation, International Journal of Hydrogen Energy, 35, 12428–12442. Raturi, A., dan Fepuleai, Y. (2010) : Photosynthesis in a Test Tube-Dye Sensitized Solar Cells as a Teaching Tool, Elsevier Journal of Renewable Energy, 35, 1010– 1013. Sapp, S.A., Eliott, C.M., Contado, C., Caramori, S., dan Bignozzi, C.A. (2002) : Energy Production and Storage: Inorganic Chemical Strategies for a Warming World, Journal Chemistry Society, 124, 11215-111222. Sauv´e, G., Cass, M.E., dan Coia, G. (2000) : Dye Sensitization of Nanocrystalline Titaniumdioxide with Osmium and Ruthenium Polypyridyl Complexes, Journal of Physical Chemistry B, 104, 6821–6836.
76
Senthil, T.S., Muthukumarasamy, N., Velauthapillai, D., Agilan, S., Thambidurai, M., dan Balasundaraprabhu, R. (2011) : Natural Dye (Cyanidin 3-O-Glucoside) Sensitized Nanocrystalline TiO2 Solar Cell Fabricated using Liquid Electrolyte/Quasi-Solid-State Polymer Electrolyte, Elsevier Journal of Renewable Energy, 36, 2484-2488. Sokolsky, M., Kusko, M., Kaiser, M., dan Cirak, J. (2011) : Fabrication and Characterization of Dye Sensitized Solar Cells Based on Natural Organic Dye, Journal of Elektroenergitika, 4, 26-29. Sreekala, C.O., Jinchu, I., Sreelatha, K.S., Janu, Y., Prasad, N., Kumar, M., Sadh, A.K, dan Roy, M.S. (2012) : Influence of Solvents and Surface Treatment on Photovoltaic Response of DSSC Based on Natural Curcumin Dye, IEEE Journal of Photovoltaics, 10, 1-8. Subramanian, V. (2007) : Nanostructured Semiconductor Composites for Solar Cells : Review of Fundamentals, Characterization Tools, and Related Composites, 32-36 dalam Trumbore, F.A., dan Turner, D.R., Eds, The Electrochemical Society 19022002: A Centennial History, 204 p., Electrochem, Reno. Sun, Y. (2009) : Sensitizer Molecule Engineering, Disertasi Program Doktor Philosophy, Bowling Green State University, 7 – 10. Tadesse, S., Abebe, A., Chebude, Y.,Garcia, I.V., dan Yohannes, T. (2012) : Natural Dye-Sensitized Solar Cells using Pigments Extracted from Syzygium Guineense, Journal of Photonics for Energy, 2, 1-10. Tekerek, S., Kudret, A., dan Alver, Ü. (2011) : Dye-Sensitized Solar Cells Fabricated with Black Raspberry, Black Carrot and Rosella Juice, Indian Journal of Physics, 85, 1469-1476. Tennakone, K., dan Bandara, J. (2001) : Photocatalytic Activity of Dye-Sensitized Tin(IV) Oxide Nanocrystalline Particles Attachedto Zinc Oxide Particles: Long Distance Electron Transfer via Ballistic Transpor of Electrons Across Nanocrystallites, Journal of Applied Catalysis A, 208, 335–341. Tensiska, E., Sukarminah, dan Natalia, D. (2006) : Ekstraksi Pewarna Alami dari Buah Arben (Rubus idaeus (Linn.)) dan Aplikasinya pada Sistem Pangan. http://digilib.umm.ac.id. Tobin, L.L., Reilly, T.O., Zerulla, D., dan Sheridan, J.T., (2010) : Characterising Dye Sensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Optic, 122, 1225-1230. Wang, H.E, Zheng, L.X., Liu, C.P., Liu, Y.K., Luan, C.Y., Cheng, H., Li, Y.Y., Martinu, L., Zapien, J.A., dan Bello, I. (2011) : Rapid Microwave Synthesis of Porous TiO2 sphere and Their Application in Dye-Sensitized Solar Cells, Journal of Physical Chemistry C, 115, 10419-10425.
77
Wang, Q., Moser, J.E., dan Gratzel, M. (2005) : Electrochemical Impedance Spectroscopic Analysis of Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Physical Chemistry B, 109, 14945–14953. Wolfbauer, G. (1999) : The Electrochemistry of Dye Sensitized Solar Cells, their Sensitizers and theis Shuttles, Disertasi Program Doctor of Philosophy in Science, Monash University, 13-16. Wongcharee, K., Meeyooa, V., dan Chavadej, S. (2007) : Dye-Sensitized Solar Cell using Natural Dyes Extracted from Rosella and Blue Pea flowers, Elsevier Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells, 91, 566–571. Wu, Lan, J.Z., Hao, S., Li, P., Lin, J., dan Huang, M. (2008) : Progress on the Electrolytes for Dye Sensitized Solar Cells, Journal of Pure and Applied Chemistry, 80, 2241-2258. Yamazaki, E., Murayama, M., Nishikawa, N., Hashimoto, N., Shoyama, M., dan Kurita, O. (2007) : Utilization of Natural Carotenoids as Photosensitizers for DyeSensitized Solar Cells, Elsevier Journal of Solar Energy, 81, 512–516. Yuliarto, B., Septina, W., Fuadi, K., Fanani, F., Muliani, L., dan Nugraha. (2010) : Synthesis of Nanoporous TiO2 and Its Potential Applicability for Dye-Sensitized Solar Cell Using Antocyanine Black Rice, Hindawi Journal of Advances in Materials Science and Engineering, 1-6. Yum, J.H.,Baranoff, E., Wenger, S., Nazeeruddin, M.K.,dan Gratzel, M. (2011) : Panchromatic Engineering for Dye-Sensitized Solar Cells, Journal The Royal Society of Chemistry, 4, 842–857. Zanni, M.T., Greenblatt, B.J., Davis, A.V., Neumark, D.M. (1999) : Photodissociation of Gas Phase I Using Femtosecond Photoelectron Spectroscopy, Journal of Chemical Physics, 111, 2991. Zhang, Z., Evans, N., Zakeeruddin, S.M., Humphry, B.R., dan Gratzel, M. (2007) : Effects of b-Guanidinoalkyl Acids as Coadsorbents in Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Physical Chemistry C, 111, 398–403. Zhou, H., Wu, L., Gao, Y., dan Ma, T. (2011) : Dye-Sensitized Solar Cells using 20 Natural Dyes as Sensitizers, Elsevier Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 219, 188–194.
78
LAMPIRAN
Lampiran A Grafik UV-Vis Natural Dye
a
A.1 Grafik absorbansi UV-Vis antosinin Ipomea percaprea
A.2 Grafik absorbansi UV-Vis karotenoid Citrus sinesis (L.) (kiri) dan Salacca zalacca (kanan)
A.3 Grafik absorbansi UV-Vis karotenoid Musa sapientum
A.4 Grafik absorbansi UV-Vis klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv (kiri), Paspalum conjugatum Berg (kanan) 79
A.5 Grafik absorbansi UV-Vis antosianin Ipomea pescapreae (kiri) dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv (kanan) setelah ditambahkan koadsorpsi asam asetat 2%
A. 6 Grafik absorbansi UV-Vis gabungan antosianin Ipomea pescapreae dan klorofil Imperata cylindrica (L.) Beauv
80
