Karakterisasi Dye Organik Alam Dan Ruthenium (N719) Sebagai Fotosensitizer Dalam Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) TESIS
Karakterisasi Dye Organik Alam Dan Ruthenium (N719)
Sebagai Fotosensitizer Dalam Dye Sensitized Solar Cells
(DSSC)
TESIS
Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika
Oleh : HARDANI NIM S911302002 PROGRAM STUDI ILMU FISIKA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
2015
5 februari 2015
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI TESIS
Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa: 1.
Tesis yang berjudul: “KARAKTERISASI DYE ORGANIK ALAM DAN
RUTHENIUM (N719) SEBAGAI FOTOSENSITIZER DALAM DYE SENSITIZED SOLAR CELLS
(DSSC)
” ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik, serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila dikemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang- undangan (Permendiknas No. 17, Tahun 2010).
2. Publikasi sebagian atau keseluruhan dari isi Tesis ini pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs-UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka PPs-UNS berhak mempublikasinnya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi Ilmu Fisika PPs-UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta, Januari 2015 Mahasiswa
Hardani S911302002
KATA PENGANTAR
Segala puji hanya bagi Allah SWT, atas berkat rahmat, taufik dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul, “Karakterisasi Dye Organik Alam dan Ruthenium (N719) Sebagai Fotosensitizer Dalam Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) ”. Penyusunan tesis ini bertujuan untuk memenuhi sebagian persyaratan guna memperoleh gelar Magister pada Program Studi Ilmu Fisika Progam Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang banyak membantu dalam penulisan tesis ini, terutama kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S, selaku Direktur Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Bapak Prof. Drs. Cari, M.Sc., M.A., Ph. D, selaku Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta, sekaligus sebagai Pembimbing I yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.
3. Bapak Dr. Agus Supriyanto, M.Si, selaku pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.
4. Bapak/Ibu Dosen Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan pendidikan dan pengajaran dalam bidang fisika.
5. Hibah Penelitian Pascasarjana yang telah mendanai penelitian penulis melalui Program Hibah Pascasarjana Universitas Sebelas Maret (PPS-UNS) dengan nomer kontrak 301A/ UN27/ PN/ 2014.
6. Kedua orang tua (khusus untuk Ibu ku tercinta), keluarga dan orang tersayang yang selalu mendoakan dan memberikan semangat dan motivasi.
7. Rekan-rekan sejawat magister ilmu fisika angkatan Februari 2013, penulis mengucapkan terima kasih atas kritik dan saran pada tesis ini.
8. Semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan tesis ini. ii
Penulis menyadari bahwa dalam tesis ini masih terdapat kekurangan dan kesalahan, hal ini dikarenakan kemampuan penulis yang sangat terbatas. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun sebagai acuan tahapan penulisan selanjutnya.
Penulis berharap semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Surakarta, Januari 2015 Penulis
DAFTAR ISI
2.1.6 Elektroda Lawan ………………………………………...……………..
17
17
15
10
8
8
7
6
5
5
5
1
2.2 Prinsip Operasi DSSC .…………………………….……………………. i ii iv vii viii xi xii xiii
2.1.5 Elektrolit ……………………………………..….….….........................
Pernyataan Orisinalitas Dan Publikasi Tesis …………………………………... Kata Pengantar .………………………………………………………...……... Daftar Isi ………….……………………………………………....................... Daftar Tabel ……..….………………………………………………………..... Daftar Gambar ……………………………………………….………………... Daftar Lampiran ……...………………………………………........................... Daftar Simbol…………………………………………………………………..
2.1.4 Pewarna (dye) Organik Sintesis Ruthenium (N719)…………………...
2.1.3 Pewarna (dye) Organik Alam……….………………………………….
2.1.2 Elektroda Kerja …….…………………………………..........................
2.1.1 Substrat Oksida ……….…………………………………......................
2.1 Dye Sensitized solar Cell (DSSC) ……………………………......……….
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
1.5 Manfaat Penelitian ……………………………………………………….
1.4 Tujuan Penelitian …………………………………………………………
1.3 Rumusan Masalah ………………………………………...…………….
1.2 Batasan Masalah ………………………………………….……………..
1.1 Latar Belakang Masalah ………………………………………………….
BAB I PENDAHULUAN
……………………………………………………………………......
Abstrak ..
18 iv
2.3 Karakterisasi ………………………………...…………..……………….
29
21
22
23
23
24
25
26
28
28
30
3.6 Pengujian karakteristik I-V DSSC ...............................................................
31
31
32
32
33
33
34
34
34
21
3.5.2 Karakterisasi Listrik (Fotokonduktivitas) ...............................................
2.3.4 Karakterisasi Arus-Tegangan (I-V) DSSC ……………..……….……..
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian …………………..….…………………….
2.3.4.1 Tegangan Rangkaian Terbuka( ) ………...…….………………...
2.3.4.2 Arus Hubungan Singkat ( ) …..…………………………..............
2.3.4.3 Fill Factor (FF)……….………………………………….……..…...
2.3.4.4 Efisiensi Konversi Foto Listrik (
)
…………………………………
2.3.5 Pengukuran Sifat Optik …….………………………….........................
2.3.6 Konduktivitas Listrik ..............................................................................
BAB III METODE PENELITIAN
3.2 Alat dan Bahan Penelitian…………………………………………………
3.5.1 Karakterisasi Optik (Spektrum Absorbansi)............................................
3.3 Diagram Alir Penelitian ……………………….….….................................
3.3.1 Persiapan ……………………………….….…......................................
3.3.2 Ekstraksi dye organik alam dan dye ruthenium kompleks (N719)……..
3.3.3 Pembuatan pasta TiO
2 ………………………………………………….
3.3.4 Pembuatan elektroda kerja…………………. ………………………….
3.3.5 Pembuatan larutan elektrolit…………….. ……………..……………...
3.3.6 Pembuatan elektroda lawan……………………………………………
3.4 Fabrikasi DSSC ...........................................................................................
3.5 Karakterisasi dye organik alam dan dye ruthenium kompleks (N719)........
35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
37
72
70
67
66
62
61
61
52
51
5.2 Saran …………………….………………………………………………... Daftar Pustaka Lampiran
4.1 Karakterisasi Absorbansi Dye Organik Alam dan Dye Ruthenium (N719)
5.1 Kesimpu lan ……………….……………. …………………………………
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Uji performa DSSC variasi intensitas pencahayaan………………… 5. Karakteristisasi I-V DSSC hasil optimasi…………………………...
2 ……………… 4.
3. Uji performa DSSC variasi metode pendeposisian TiO
2. Uji performa DSSC dye organik alam dan dye ruthenium (N719) dengan variasi konsentrasi …………………………………………….
1. Uji performa DSSC menggunakan variasi pelarut………...…………....
4.4 Karakterisasi I-V DSSC…………………………………………………...
4.3 Karakteristik Konduktivitas dye organik alam dan dye ruthenium (N719)..
4.2 Karakterisasi I-V Elektrolit……………………………………………….
73 vi
DAFTAR TABEL Tabel 1 Beberapa Hasil Penelitian DSSC dalam Skala Laboratorium...........
60
12
17
39
45
51
56
62
Tabel 4.13 Efisi ensi DSSC Hasil Optimasi…………………………………63
65
67
67
68
69
3
Tabel 4.12 Nilai Efisiensi dye Ruthenium (N719) 1%...................................Tabel 2.1 Nama Semi-sistematis karotenoid (Cuttriss dan Pogson, 2004)Tabel 4.4 Hasil Konduktivitas Dye Organik Alam ………………………...…
Tabel 2.2 Pelarut organik (Lide, 2004) ……………………………………...Tabel 4.1 Panjang Gelombang berbagai warna (Sumber : Adam)………….Tabel 4.2 Puncak spektrum absorbansi dye organik alam dan warna larutan dalam etanol…………………………………………….
Tabel 4.3 Hasil Konduktivitas Elektrolit …………………………………..Tabel 4.5 Nilai konduktivitas dye Ruthenium (N719) ………………….....Tabel 4.11 Nilai Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,5%................................Tabel 4.6 Nilai arus dan tegangan dari dye wortel dengan variasi pelarut…Tabel 4.7 Nilai arus dan tegangan dari dye organik alam………………..…Tabel 4.8 Nilai arus dan tegangan dye Ruthenium (N719) ………...............Tabel 4.9 Nilai arus dan tegangan dari dye kulit buah manggis dengan variasi metode pendeposisian TiO2 ………..................................
Tabel 4.10 Nilai Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,1%.................................71
DAFTAR GAMBAR
14
2006) …………………………………………………………...
Gambar 2.13 Prinsip kerja Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) …..…….......Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian DSSC ………….. …..………………...8
9
11
13
15
DSSC ……………………………………………………………
16
18
22
23
24
25
27
Gambar 2.12 Skema hukum Lambet-Beer memperlihatkan penurunan energi radiasi akibat penyerapan cahaya (Atkins dan Paula,Gambar 2.11 Skema Kurva (I-V) untuk menentukan besaran efisiensiGambar 2.1 Perubahan ukuran partikel anatase dan rutil sebagai fungsi dari temperature anil (Li et al.2004)..................................................Gambar 2.5 Struktur molekuler klorofil (Shakhashiri) …….….......................Gambar 2.2 Skema fotoeksitasi yang diikuti oleh deeksitasi pada permukaan semikonduktor (Linsebigler et al. 1995)………………………
Gambar 2.3 Struktur beta-karoten (Karnjanawipagul et al. 2010) …………..Gambar 2.4 a. Struktur kimia dasar antosianinb. Dua macam struktur antosianin dasar dalam media asam dan basa, c. Rangkaian mekanisme antosianin dengan TiO
2
(Septina, et al . 2007)…………………………………………...
Gambar 2.6 Struktur molekul dye ruthenium (N719)……….….....................shunt ( ) ………………………………………………………
Gambar 2.
7 Absorbansi ruthenium N719 (M. Gratzel, 2005)….....................
Gambar 2.8 Skema operasi DSSC berbasis dye ruthenium (3) (Calandra et al. 2010) …………………………………………..
Gambar 2.9 Tipikal kurva arus-tegangan (I-V) menunjukkan tegangan rangkaian terbuka ( ), arus hubungan pendek, dan daya maksimum . Garis putus-putus menunjukkan daya listrik pada bias tegangan yang berbeda. Titik menunjukkan daya maksimum ..............................................................
Gambar 2.10 Rangkaian ekuivalen yang disederhanakan untuk DSSC dengan memperhitungkan resistansi seri ( ) dan resistensi30
Gambar 3.2 Skema area deposisi pasta TiO32
b. DSSC dengan dye kompleks Ruthenium (N719) siap uji…..
34
35
36
37
39
40
42
41
42
43
43
44
45
46
47
2 …………………………………
Gambar 4.15 Grafik Absorbansi TiO49
Gambar 4.4 Grafik Absorbansi Dye Daun Binahong………………………..Gambar 3.3 a. Ilustrasi perakitan sel surya berbasis DSSCGambar 3.4 Skema pengukuran arus-tegangan (I-V) menggunakanElKahfi 100/I-V meter ………………………………………............
Gambar 3.5 Skema pengukuran I-V pada DSSC kondisi terang dengan menggunakan Keithley 2600A …………………………………Gambar 4.1 Grafik Absorbansi Dye Melinjo………………………………....Gambar 4.2 Grafik Absorbansi Dye Wortel………………………………….Gambar 4.3 Grafik Absorbansi Dye Kulit Buah Manggis…………………...Gambar 4.5 Spektrum Absorbsi cahaya tampak klorofil a dan klorofil bGambar 4.14 Grafik hubungan Absorbansi dengan Konsentrasi…………….(Larkum, 2003)…………………………………………………
Gambar 4.6 Grafik Absorbansi Dye Euphorbia milii………………………...Gambar 4.7 Grafik Absorbansi Dye Kulit Buah Pinang Merah……………..Gambar 4.8 Grafik Absorbansi Dye Rhoeo Discolor………………………..Gambar 4.9 Grafik Absorbansi Dye Bunga Terompet Ungu………………..Gambar 4.10 Grafik Absorbansi Ruthenium (N719) 0,1%………………… Gambar 4.11 Grafik Absorbansi Ruthenium (N719) 0,5%…………………..Gambar 4.12 Grafik Absorbansi Ruthenium (N719) 1%…………………….Gambar 4.13 Grafik Absorbansi Ruthenium (N719) dengan variasi konsentrasi …………………………………………………….47
2 Nano Partikel
50
51
………………………
Gambar 4.16 Grafik Konduktivitas Elektrolit………………………………..Gambar 4.17 Grafik Konduktivitas Dye58
Gambar 4.34 Grafik I-V DSSC hasil optimasi ……………………………...53
53
54
55
55
57
57
59
Gambar 4.32 Perbandingan Intensitas dan Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,5%...........................................................................................59
61
62
64
66
68
69
70
Gambar 4.33 Perbandingan Intensitas dan Efisiensi dye Ruthenium (N719) 1%.............................................................................................Gambar 4.31 Perbandingan Intensitas dan Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,1%...........................................................................................Daun Binahong……………………
Gambar 4.23 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) pada keadaan terang………Gambar 4.18 Grafik Konduktivitas DyeKulit Buah Pinang Merah…………
Gambar 4.19 Grafik Konduktivitas DyeEuphorbia milii……………………
Gambar 4.20 Grafik Konduktivitas DyeBunga Terompet Ungu……………
Gambar 4.21 Grafik Konduktivitas Dye Rhoeo Discolor……………………Gambar 4.22 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) pada keadaan gelap……….Gambar 4.24 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) 0,1% pada keadaan gelap dan terangGambar 4.30 Grafik I-V DSSC variasi metode pendeposisian TiO 2 ………..……………………………………………………...
Gambar 4.25 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) 0,5% pada keadaan gelap dan terang……………………………………………………..
Gambar 4.26 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) 1% pada keadaan gelap dan terang ………………………………………………………….Gambar 4.27 Grafik I-V DSSC variasi pelarut……………………………....Gambar 4.28 Grafik Karakteristik DSSC Dye Organik Alam……………….Gambar 4.29 Grafik I-V DSSC variasi konsentrasi dye ruthenium (N719) dengan pelarut etanol menggunakan platina sebagai elektrodalawan…………………………………………………………..
71