Pembuatan dan karakterisasi sel surya titanium dioksida sensitisasi dye antosianin dari ekstrak buah strawberry
ABSTRAK
AYU SITI RAHMAWATI Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Titanium
Dioksida Sensitisasi
Dye
Antosianin dari Ekstrak Buah
Strawberry
. Dibimbing oleh
Dr. AKHIRUDDIN MADDU dan Dr. Ir. IRMANSYAH, M.Si.
Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan mempelajari prototipe sel surya
nanokristal n-TiO
2/
Dye
/p-CuSCN tersensitisasi
dye
antosianin dari ekstrak buah
strawberry
, serta melakukan karakterisasi arus-tegangan. Karakterisasi sel surya yang
dibuat meliputi XRD, spektrum serapan dan arus-tegangan. Hasil karakterisasi XRD
TiO
2menunjukkan bahwa pada sampel TiO
2yang dibuat terbentuk kristal
anatase
dan
rutile
, tetapi yang paling dominan terbentuk adalah
anatase
.
Dye
antosianin dari
ekstrak buah
strawberry
mempunyai daerah serapan optik 451-623 nm dan mencapai
maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa arus dan tegangan yang dihasilkan dipengaruhi
oleh lama perendaman di dalam
dye
yakni sampel dengan lama perendaman 2 hari
memiliki tegangan lebih besar dibandingkan sampel dengan lama perendaman 1 hari
yaitu 219 mV, sedangkan tegangan dengan lama perendaman 1 hari yaitu sebesar 199
mV. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa sel surya yang direndam selama 2 hari
memiliki sensitivitas yang lebih tinggi, lebih bersifat fotovoltaik dan arus serta
tegangan yang dihasilkan pun lebih tinggi dibandingkan sel surya yang direndam
selama 1 hari.
(2)
PENDAHULUAN
Latar BelakangPertumbuhan populasi penduduk,
perkembangan industri dan perkembangan
teknologi mengakibatkan pemenuhan
kebutuhan energi yang sangat banyak. Energi yang dihasilkan sampai saat ini masih bersumber dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, sehingga ada kemungkinan ketersediaan energi akan berkurang. Hal tersebut terjadi karena kebutuhan terhadap energi yang tidak terbatas sementara ketersediaan energi yang dihasilkan terbatas. Oleh karena itu, dibutuhkan terobosan – terobosan baru untuk menciptakan alternatif sumber energi yang terbarukan, praktis, ramah lingkungan dan murah. Salah satu alternatif yang dapat dikembangkan yakni pemanfaatan sinar matahari.
Suplai energi matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024
joule pertahun. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Oleh karena itu, sinar matahari merupakan alternatif sumber energi yang dapat dikembangkan melalui konversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung atau efek fotovoltaik dengan sistem sel surya. Dengan kata lain, jika permukaan bumi ditutup sebesar 0.1 % menggunakan piranti sel surya yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi listrik di seluruh dunia saat ini. Perkembangan yang pesat dari industri sel surya pada tahun 2004 telah mencapai tingkat 1000 MW membuat banyak kalangan semakin melirik sumber energi masa depan yang sangat diharapkan ini. 1
Bahan dasar yang banyak digunakan dalam sel surya adalah semikonduktor. Salah satu dari sejumlah material semikonduktor yang digunakan dalam teknologi sel surya sebagai bahan dasarnya
adalah titanium dioksida (TiO2). Selain itu
material TiO2 mempunyai daya oksidasi
yang tinggi, stabilitasnya tinggi dalam mencegah fotokorosi, tidak beracun, serta dapat diaplikasikan sebagai fotokatalis untuk mereduksi senyawa organik yang
dapat membahayakan lingkungan.2
Perkembangan teknologi sel surya pada saat ini memang menunjukkan harapan harga sel surya yang murah dan memiliki efisiensi yang tinggi. Oleh karena itu untuk menekan biaya pembuatan dan produksi yang kompleks sebagai alternatif pembuatan
piranti fotovoltaik maka saat ini
dikembangkan sel surya tersensitisasi dye
yang berbasis semikonduktor nanokristal. Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan sel surya TiO2 tersensitisasi dye
menggunakan tembaga tiosianat (CuSCN) sebagai semikonduktor tipe-p.
Perumusan Masalah
Yang menjadi perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh lama perendaman dye terhadap
arus dan tegangan yang dihasilkan ? Hipotesis
Sel surya tersentisasi dye akan
dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye, yakni lebih lama dilakukan
perendaman maka arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar, dan sebaliknya.
Tujuan Penelitian
Membuat dan mempelajari prototipe sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN
tersensitisasi dye antosianin dari ekstrak
buah strawberry, serta melakukan
(3)
TINJAUAN PUSTAKA
Material Titanium Dioksida (TiO2)Nanopartikel TiO2 merupakan material
semikonduktor tipe-n yang mempunyai ukuran partikel antara 10 sampai 50 nanometer.3 TiO
2 berperan penting dalam
pemanfaatan fotoenergi karena memiliki daya oksidatif dan stabilitas yang tinggi terhadap fotokorosi, murah, mudah didapat dan tidak beracun. TiO2 mempunyai
kemampuan untuk menyerap dye lebih
banyak karena di dalamnya terdapat rongga dan ukurannya dalam nano, maka disebut nanoporous. Struktur TiO2 memiliki tiga
bentuk struktur yaitu rutile, anatase dan brukit. Rutile dan anatase cukup stabil,
sedangkan brukit sulit ditemukan, biasanya
terdapat dalam mineral dan sulit
dimurnikan.4 Struktur
anatase dan rutile
dapat dilihat pada Gambar 1.
a. Anatase
b. Rutile
Gambar 1 Struktur kristal TiO2 (001)5,6
Struktur kristal anatase dan rutile .
TiO2 adalah tetragonal dan dapat
digambarkan sebagai rantai oktahedron
TiO6. Perbedaan keduanya terdapat pada
distorsi oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya. Masing-masing ion Ti4+
dikelilingi oleh enam ion O2-. Oktahedral
pada struktur rutile mengalami sedikit
distorsi ortorombik, sedangkan pada
anatase distorsi ortorombiknya cukup besar
sehingga relatif tidak simetri. Jarak antara Ti-Ti anatase lebih besar pada anatase
dibandingkan dengan rutile (3,79 dan 3,04
Å dengan 3,57 dan 3,96 Å) sedangkan jarak Ti-O anatase lebih kecil dibanding dengan rutile (1,934 dan 1,980 Å dengan 1,949 dan
1,980 Å). Setiap oktahedron pada struktur
rutile dikelilingi oleh sepuluh oktahedron
tetangga, sedangkan pada struktur anatase
setiap oktahedron hanya dikelilingi delapan oktahedron tetangga. Distorsi ortorombik menyebabkan terjadinya perbedaan luasan aktif, anatase memiliki simetri geometris
yang lebih mendukung untuk mengabsorbsi cahaya karena luasan aktifnya lebih besar daripada rutile.7
Panjang gelombang yang dapat diserap
anatase adalah 388 nm dan 413 nm pada rutile. Anatase mempunyai kerapatan 3,89
g/cm3, sedangkan rutile 4,26 g/cm3. Anatase
dapat disintesis pada suhu rendah dengan metode preparasi elektrolisis TiCl4,
TiOSO4, atau dari titanium alkokosida.8
Bentuk kristal anatase terjadi pada
pemanasan suhu rendah (100-7000C),
sedangkan pada rutile terbentuk pada suhu
tinggi (700-10000C) dan pada suhu tersebut
rutile dapat mengalami transformasi
menjadi anatase.9 Perbedaan antara struktur
kristal anatase dan rutile ditunjukkan pada
(4)
3
Tabel 1 Perbedaan struktur kristal anatase
dan rutile.10 Faktor
perbedaan AnataseTiO2
TiO2 Rutile
Sistem kristal Tetragonal Tetragonal
Parameter kisi a (Å) c (Å) Vol (Å3)
3,7852 9,5139 136,25 4,5933 2,9592 62,07 Massa jenis
(gram/ cm3) 3,8950 4,2743
Celah energi
(Eg) (eV) 3,2 3,0
CuSCN
Elektrolit padat digunakan untuk mengurangi degradasi sel yang terjadi pada elektrolit cair sehingga dapat meningkatkan stabilitas sel surya. CuSCN merupakan senyawa anorganik yang berwarna putih agak transparan dan mempunyai celah energi 3,6 eV. CuSCN merupakan semikonduktor tipe-p. Sel surya ini menggunakan fenomena persambungan semikonduktor p-n, namun disisipi dye
diantara keduanya.11
Pada lapisan TiO2 yang merupakan
semikonduktor tipe-n pembawa
mayoritasnya adalah elektron yang berasal dari atom-atom donor, sedangkan pada CuSCN yang merupakan semikonduktor tipe-p pembawa mayoritasnya adalah hole
yang berasal dari atom-atom akseptor.11
Struktur CuSCN dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Struktur senyawa CuSCN.12
Antosianin sebagai Dye Sensitizer
Antosianin merupakan salah satu dari kelas flavonoid yang berupa pigmen berwarna merah, ungu atau biru dan dapat larut di dalam air. Antosianin merupakan pewarna yang penting dan tersebar luas dalam tumbuhan. Secara kimia antosianin merupakan turunan suatu struktur aromatik tunggal, yaitu sianidin, dan semuanya terbentuk dari pigmen sianidin ini dengan penambahan atau pengurangan gugus hidroksil atau dengan metilasi. Antosianin tidak mantap didalam larutan netral atau basa, sehingga antosianin harus diekstraksi dari tumbuhan dengan pelarut yang mengandung asam asetat atau asam hidroklorida (misalnya metanol yang mengandung HCl pekat 1%) dan larutannya harus disimpan di tempat gelap serta sebaiknya didinginkan. Antosianidin ialah aglikon antosianin yang terbentuk bila antosianin dihidrolisis dengan asam. Ada enam jenis antosianidin, yaitu : sianidin, pelargonidin, peonidin, petunidin, malvidin dan delfinidin.13 Struktur antosianin dapat
dilihat pada Gambar 3.
Senyawa antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya, sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2.
Antosianin adalah komposisi kunci dari beberapa dye alami. Antosianin potensial
dipergunakan sebagai sensitizer karena
memiliki spektrum cahaya dalam rentang yang cukup lebar, dari merah hingga biru. Sementara pada klorofil terdapat gugus alkil pada struktur karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan TiO2.14
(5)
4
Gambar 3 Struktur kimia antosianin. 15
Warna pigmen antosianin merah, biru, violet, dan biasanya dijumpai pada bunga, buah-buahan dan sayur-sayuran. Warna yang disebabkan oleh adanya antosianin dipengaruhi oleh konsentrasinya dan pH dari pelarut. Konsentrasi antosianin yang rendah mengakibatkan warna tidak merah melainkan ungu. Apabila konsentrasinya sangat tinggi maka warnanya menjadi ungu tua atau dapat menjadi hitam. pH pelarut
sangat berpengaruh terhadap warna
antosianin. Secara umum pada pH rendah (pH<7) antosianin berwarna merah, pada pH netral (pH=7) berwarna biru dan pH tinggi (pH>7)berwarna putih. Disamping itu adanya ion logam akan diikat oleh antosianin, misalnya dengan ion Al, menyebabkan antosianin akan berwarna biru.16
Bahan alam seperti anggur merah (Malus pumila), blueberry (Vaccinium corymbosom), cranberry (Vaccinium macrocarpon), strawberry (Fragaria anannassa), kol merah (Brassica oleracea)
dan lain-lain mengandung antosianin. Kandungan antosianin dan bentuk glikosida yang terdapat pada sumber makanan tersebut diperlihatkan pada Tabel 3.17
Tabel 2 Kandungan antosianin dan bentuk glikosidanya.
Sumber
makanan Antosianin glikosida Bentuk
Apel Sianidin Monoglikosida
Blueberry Malvidin Petunidin Delpinidin Monoglikosida Monoglikosida Monoglikosida Cranberry Sianidin
Peonidin Monoglikosida Monoglikosida
Kol merah Sianidin Diglikosida
Stawberry Pelargonidin
Sianidin Monoglikosida Monoglikosida
Dye sensitizer berasal dari dua kata
yaitu dye dan sensitization. Dye merupakan
molekul pigmen atau senyawa kimia yang
dapat menyerap cahaya, sensitisasi
merupakan proses membuat sel surya
menjadi peka terhadap cahaya, dan injeksi adalah proses transfer elektron dari molekul dye ke daerah pita konduksi semikonduktor
yang terjadi karena absorpsi cahaya2.
Lapisan dye yang digunakan merupakan
lapisan tunggal (monolayer) dye dan
berfungsi sebagai absorber sinar matahari
yang utama sehingga menghasilkan aliran
elektron. Proses penyerapan cahaya
matahari oleh sel surya nanokristal TiO2
tersentisasi dye menyerupai mekanisme
fotosintesis pada daun tumbuhan, dengan klorofil sebagai dye-nya.
Sel Surya Tersensitisasi Dye
Skema kerja dari sel surya
tersensitisasi dye yang ditunjukkan pada
Gambar 4, pada dasarnya merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama
dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton.
Elektron tereksitasi dari keadaan dasar (D) ke keadaan tereksitasi (D*). Elektron dari keadaan tereksitasi kemudian langsung terinjeksi menuju pita konduksi (ECB) TiO2
sehingga dye molekul teroksidasi (D+).
Dengan adanya donor elektron oleh elektrolit (I-) maka molekul dye kembali ke
keadaan awalnya (ground state) dan
mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang teroksidasi. Setelah mencapai
elektroda TCO, elektron mengalir menuju
counter elektroda melalui rangkaian
eksternal. Dengan adanya katalis pada
counter elektroda, elektron diterima oleh
elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada
elektrolit (I3-) akibat donor elektron pada
proses sebelumnya, berkombinasi
membentuk iodide (I-). Iodide ini digunakan
untuk mereduksi dye yang teroksidasi
membentuk triiodide (I3-), sehingga
membentuk suatu siklus transport elektron.
Dengan siklus ini terjadi konversi langsung dari cahaya matahari menjadi listrik.18
(6)
5
Gambar 4 Skema kerja sel surya tersensitisasi dye.18
Reaksi yang terjadi adalah :
D + e-→D* (1)
2D+ + 3e-→ γI- +2D (2)
I3- + 2e-→ γI- (3)
Dye yang digunakan dalam sel surya
fotoelektrokimia TiO2 dapat berupa
senyawa kimia sintesis yang mengandung pigmen organik atau ekstraksi bahan organik. Dye yang berasal dari ekstraksi
bahan organik misalnya pigmen klorofil, karetenoid dan flavonoid yang umumnya terdapat pada daun, bunga, dan buah serta pigmen kuinon yang terdapat pada kulit, kayu dan akar tumbuhan. Dye yang berasal
dari senyawa kimia sintesis misalnya
[Ru(cdpy)3]2+, [Ru(cdpy)3],
[Ru(cdpy)2(NCS)2], Coumarin-343 dan
lain-lain.10
Sel Surya Nanokristal n-TiO2/dye
/p-CuSCN
Sel surya nanokristal TiO2
tersensitisasi dye adalah sel
fotoelektrokimia yang memanfaatkan
fenomena fotosintesis yaitu dengan adanya
dye yang merupakan penyerap cahaya
sehingga menghasilkan aliran elektron. Secara umum sel surya tersensitisasi dye
dibentuk antara lain oleh sebuah
semikonduktor yang mempunyai pita energi lebar seperti TiO2, sebuah dye yang dilapisi
pada semikonduktor untuk penyerap cahaya, elektrolit yang mengandung sebuah pasangan redoks yang sesuai dan elektroda
counter berupa lapisan karbon atau platina.8
Sel surya TiO2 tersensitisasi dye terdiri
atas lapisan nanokristal TiO2 berpori
sebagai fotoanoda, dye sebagai
fotosensitizer, elektrolit redoks dan
elektroda lawan (katoda) yang diberi lapisan katalis. Sel surya tersensitisasi dye
berbentuk struktur sandwich seperti pada
Gambar 5, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 tersensitisasi dye dan
elektroda lawan terkatalisasi mengapit
elektrolit membentuk sistem sel
fotoelektrokimia. Pada sel surya
tersensitisasi dye foton diserap oleh dye
(7)
6
yang bertindak sebagai donor elektron dan berperan sebagai pompa fotoelektrokimia.
Gambar 5 Struktur sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN.19
Prinsip kerja sel surya nanokristal TiO2
tersensitisasi dye adalah absorbsi cahaya
oleh dye sehingga elektron akan tereksitasi
ke level LUMO dan akan tercipta hole pada
level HOMO di dalam molekul dye.
Kemudian terjadi injeksi elektron menuju pita konduksi semikonduktor tipe-n TiO2,
sedangkan hole akan terinjeksi menuju pita
valensi semikonduktor tipe-p CuSCN
karena adanya perbedaan
keelektronegatifan. Adanya elektron yang terinjeksi dari dye ke TiO2 dan hole ke
CuSCN akan menimbulkan arus yang mengalir ke rangkaian luar.
Setelah melewati rangkaian luar, elektron yang terakumulasi pada sisi TiO2
dari sel akan berekombinasi dengan hole
pada sisi CuSCN pada elektroda counter.
Kemudian ada sebagian elektron dari TiO2
berekombinasi dengan hole pada pita
valensi CuSCN, kedua rekombinasi ini tidak diinginkan karena dapat mereduksi arus yang dihasilkan sel.20 Skema injeksi
elektron digambarkan dalam Gambar 6. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
Eks hv + D → D* (Eksitasi) 1. D* → D+ + e
-TiO2
(Injeksi pertama elektron ke TiO2)
2. D+ + e
-TiO2→ D (Rekombinasi)
3. D* → D- + h+
CuSCN
(Injeksi hole pertama ke CuSCN)
4. D+→ D + h+
CuSCN
(Hole ke CuSCN)
5. D- + h+
CuSCN→ D (Rekombinasi)
6. D-→ D + e
-TiO2 (Elektron ke TiO2)
7. e
-TiO2 + h+CuSCN→ heat (Rekombinasi)
8. e
-TiO2 + h+CuSCN→ kerja
(Aliran muatan ke rangkaian luar) Berdasarkan prinsip kerja sel surya nanokristal TiO2 tersensitisasi dye, partikel
TiO2 merupakan pembawa mayoritas
elektron, sedangkan partikel CuSCN merupakan pembawa mayoritas hole dan
dye berperan sebagai pompa
fotoelektrokimia yang mengakibatkan
eksitasi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menggunakan cahaya sebagai sumber energi yang diserap.
Gambar 6 Skema injeksi elektron.20
Pita Valensi Pita Konduksi ke rangkaian luar
8
e-1&6
D-/D atau D*/D+ n-TiO2
D-/D* atau D/D+ Eksitasi dye CuSCN hole ke rangkaianluar 8 3&4 5 2 7
(8)
7
Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya nanokristal TiO2 tersentisasi dye
disebabkan oleh perbedaan dalam tingkat energi antara TiO2 dan mediator tergantung
pada bahan pelarut yang digunakan serta keadaan TiO2. Arus yang dihasilkan sel
surya TiO2 terkait langsung dengan jumlah
cahaya yang diserap oleh dye, yaitu
bergantung pada intensitas penyinaran dan jenis dye yang digunakan.
Karakterisasi X-ray Diffraction (XRD)
XRD dapat digunakan untuk
mempelajari dan menentukan sistem kristal (kubik, tetragonal, heksagonal, dll) menentukan kualitas kristal (single kristal,
polikristal, amourphous), menentukan
simetri kristal, menentukan cacat kristal (dislokasi), mencari parameter kristal (parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel) dan analisis kimia.21
Prinsip dari alat XRD adalah sinar X yang dihasilkan dari suatu logam tertentu memiliki panjang gelombang tertentu, dengan memvariasikan besar sudut pantulan sehingga terjadi pantulan elastis yang dapat dideteksi. Maka menurut Hukum Bragg jarak antar bidang atom dapat dihitung dengan data difraksi yang dihasilkan pada besar sudut – sudut tertentu. Prinsip ini di gambarkan pada Gambar 7 di bawah ini.
Gambar 7 Prinsip XRD.22
Sinar X adalah sinar elektromagnetik yang semestinya dapat didifraksikan oleh
kisi fraksi (diffraction gfafting), tetapi
karena panjang gelombang sinar X yang pendek maka untuk dapat mendifraksikan sinar X harus menggunakan jalur yang letaknya sangat berdekatan dan memiliki kelenturan yang tinggi. Untuk menentukan parameter kisi dapat dilakukan dengan menggunakan Hukum Bragg.23
Sinar-X yang dipantulkan, dibiaskan dan diteruskan apabila melalui suatu bahan. Andaikan garis-garis S1 S1, S2 S2 dan S3 S3
seperti Gambar 8, mewakili bidang-bidang atom yang sejajar dengan permukaan hablur dan terpisah satu sama lain pada jarak d.
Andaikan garis-garis AB dan A’B’
mewakili lintasan alur sinar-X pada panjang gelombang yang menuju ke bidang-bidang
hablur pada sudut terhadap bidang dan
masing-masing dipantulkan dalam arah BC
dan B’C’. Supaya gelombang dari B’ dapat
menguatkan gelombang yang dipantulkan
dari B di CC’ , kedua gelombang harus
sefasa.23 Dengan kata lain, beda lintasan
antara gelombang A’B’C’ terhadap
gelombang ABC harus merupakan
kelipatan bulat panjang gelombang sinar-X itu, yakni :
Gambar 8 Pantulan sinar-X oleh bidang atom S1S1 dan S2S2 terpisah pada jarak d.24
(A’B’ + B’C’ )–(AB + BC) = nλ Oleh karena DB’ = B’E = d sin , maka syarat di atas dipenuhi apabila :
(9)
8
Keterangan :
λ = panjang gelombang (m) d = jarak antara bidang (m)
= sudut difraksi
Dengan mengetahui sistem kristal pada sel surya TiO2 adalah tetragonal maka jarak
antara bidang-bidang yang berdekatan yang disusun dalam indeks miller (hkl) adalah
2 2 2 2 2 2 1 c l + a k h = d (6)
a = b ≠ c, dengan a, b dan c, adalah
parameter kisi dan h,k,l adalah indeks miller. Untuk menentukan ukuran kristal diperoleh dari persamaan :
(7)
Dengan k adalah konstanta sebesar 0.89; λ
adalah panjang gelombang sumber sinar-X
(dalam hal ini Cu kα sebesar 1.η4β Ǻ), dan adalah setengan lebar puncak difraksi
(dalam satuan radian).
Karakterisasi Spektrum Serapan
Jika radiasi elektromagnetik melalui suatu materi dan pada materi tersebut terjadi serapan selektif maka pada materi tersebut akan terjadi penyerapan komponen radiasi pada panjang gelombang yang berbeda sesuai spektra sinar dan dalam
jumlah yang berbeda pula. Perubahan tingkat serapan sebagai fungsi dari panjang gelombang tersebut sebagai spektrum serapan. Spektrum serapan merupakan karakteristik kualitas suatu bahan, tingkat serapan suatu cahaya pada panjang gelombang tertentu dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu sampel.23
Dasar penentuan kualitatif metode
spektrofotometri adalah hukum Beer:
)
exp(
cl
I
I
o (8)sehingga diperoleh :
cl
I
I
A
log
o(9) A adalah absorbansi sampel, Io adalah
intensitas tanpa serapan. I adalah intensitas cahaya yang keluar lewat sampel. adalah
ketebalan lapisan larutan sampel (cm), adalah koefisien serapan molekul dan c adalah konsentrasi (molaritas).
Karakteristik Arus – Tegangan Sel Surya
Karakteristik sel surya ditentukan oleh beberapa faktor antara lain efisiensi sel surya ( ) dan stabilitas dari sel surya tersebut. Efisiensi sel surya merupakan aspek yang menjadi perhatian utama dalam sel surya.11 Hal ini dapat ditunjukan melalui
kuantitas arus dan tegangan. Kurva karakterisasi arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya ditunjukkan oleh Gambar 9.
Gambar 9 Kurva karakteristik arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya.25
Gelap
(10)
9
Hubungan arus dan tegangan sel surya p-n dalam semikonduktor dalam keadaan tanpa cahaya, sama dengan karakteristik arus-tegangan sebuah dioda ideal, dapat dinyatakan dalam persamaan berikut
(10) Pada saat sel surya terkena cahaya, maka akan dihasilkan arus foto yang terjadi karena pembangkitan elektron oleh cahaya dengan energi tertentu. Sehingga persamaan (10) dapat ditulis menjadi :
(11)
Iph adalah arus foto, I0 adalah arus saturasi
pada kesetimbangan, V adalah tegangan
bias dan n adalah faktor dioda karena
adanya penyimpangan dari dioda ideal. Tegangan yang diukur pada rangkaian terbuka, (open circuit) ketika I=0, disebut
tegangan rangkaian terbuka (Voc), yaitu :
0
ln ph
oc
I nkT
V
q I (12)
sedangkan pada rangkaian pendek (short circuit), ketika V = 0, sehingga diperoleh
Iph=Isc, dengan Isc merupakan arus pada
rangkaian pendek (short circuit current).
Rangkaian pengukuran karakterisasi arus tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 10.
Tegangan terbuka (Voc) terjadi ketika
reostat berada pada posisi maksimum, sehingga tidak ada arus yang mengalir melalui reostat (I = 0). Untuk pengukuran tegangan terbuka Gambar 10 (a) seolah menjadi Gambar 10 (b). Arus rangkaian pendek terjadi ketika reostat berada pada posisi minimum sehingga tidak ada arus
yang mengalir melalui voltmeter.
Gambar 10 Rangkaian pengukuran karakterisasi arus-tegangan sel surya.26
Gambar 11 Rangkaian pengukuran tegangan pada rangkaian terbuka [Voc].26
V
Sel surya Reostat
R
Rangkaian pengukur arus V
V Sel surya
Rangkaian terbuka Voc
(11)
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat PenelitianPenelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari sampai Mei 2011. Bertempat di Laboratorium Fisika Material dan Biofisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Karakterisasi XRD dilaksanakan di BATAN, Serpong.
Alat dan Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah substrat transparant conductive oxide (TCO), TiO2 nanokristal
(Degussa P25), asetilaseton (MERCK),
Triton X-100 (MERCK), aquades,
asetonitril (MERCK), HCl 45%, CuSCN, strawberry, etanol, aseton, aluminium foil
dan scotch adhesive tape.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah mikrovoltmeter digital, amperemeter digital, gelas ukur, gelas piala,
rod glass, magnetic stirrer, hot plate, furnace, termometer digital, lampu merkuri
400 watt, XRD, spectrophotometer UV-VIS, power supply, kertas tisu, kertas saring,
mortar, penumbuk dan neraca digital. Metode Penelitian
Pembuatan lapisan TiO2
Metode yang digunakan pada
pembuatan koloid TiO2 adalah “doctor
blade technique” atau metode casting.
Pembuatan koloid TiO2 dilakukan dengan
mencampurkan 0,5 gram TiO2 bubuk
nanokristal dengan 0,5 ml aseton dan satu tetes Triton X-100, larutan tersebut ditambahkan aquades 0,3 ml kemudian digerus secara perlahan hingga menjadi bentuk koloid. Larutan TiO2 koloid
dideposisikan pada substrat TCO yang sudah dicuci dengan sabun dan dibilas dengan etanol dan aseton. Selanjutnya pada ke dua sisi TCO yang berhadapan ditutup
dengan scotch tape kurang lebih 1-2 mm
dan pada kedua sisi lainnya ditutup kurang lebih 5-6 mm, sehingga bagian TCO yang dikosongkan memiliki luas penampang (1,1 x 0,9) cm2 dan (0,9 x 0,9) cm2.Setelah itu
larutan TiO2 didistribusikan secara merata
di atas substrat TCO dengan menggerakkan batang gelas di atas substrat TCO. Kemudian di keringkan di udara dan setelah satu menit scotchtape dikeluarkan (dibuka)
dengan hati-hati. Lapisan dipanaskan pada suhu 300 C selama 30 menit dan didinginkan pada suhu ruang. Hasil deposisi TiO2 tersebut kemudian dikarakterisasi
menggunakan XRD untuk mengetahui struktur kristal sampel. Jika struktur kristal tidak sesuai dengan yang diharapkan, maka proses pembuatan lapisan TiO2 diulang lagi.
Pembuatan larutan dye antosianin
Larutan dye antosianin dibuat dengan
menempatkan 20 gram strawberry segar
yang telah dipotong-potong kecil ke dalam sebuah mortar, kemudian ditumbuk hingga halus. Hasil tumbukan yang telah halus kemudian direndam (maserasi) di dalam pelarut yang terdiri dari 50 ml metanol + 8 ml asam asetat + 42 ml aquades selama 24
jam. Selama perendaman larutan dye
antosianin harus disimpan di tempat gelap. Setelah direndam selama 24 jam, lalu
larutan dye antosianin disaring
menggunakan kertas saring ke dalam botol berwarna gelap atau botol yang telah dilapisi aluminium foil. Kemudian larutan dye antosianin dikarakterisasi untuk
mengetahui panjang gelombang
serapannya.
Pembuatan polimer elektrolit CuSCN
Elektrolit padat berupa CuSCN dideposisi dengan metode casting.
Mula-mula 50 ml asetonitril dicampur dengan 0,1 ml HCl 34%. Kemudian diambil 12 ml dari larutan tersebut lalu dimasukkan 0,025 gram bubuk CuSCN sehingga terbentuk larutan CuSCN. Kemudian ditambahkan
(12)
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat PenelitianPenelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari sampai Mei 2011. Bertempat di Laboratorium Fisika Material dan Biofisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Karakterisasi XRD dilaksanakan di BATAN, Serpong.
Alat dan Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah substrat transparant conductive oxide (TCO), TiO2 nanokristal
(Degussa P25), asetilaseton (MERCK),
Triton X-100 (MERCK), aquades,
asetonitril (MERCK), HCl 45%, CuSCN, strawberry, etanol, aseton, aluminium foil
dan scotch adhesive tape.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah mikrovoltmeter digital, amperemeter digital, gelas ukur, gelas piala,
rod glass, magnetic stirrer, hot plate, furnace, termometer digital, lampu merkuri
400 watt, XRD, spectrophotometer UV-VIS, power supply, kertas tisu, kertas saring,
mortar, penumbuk dan neraca digital. Metode Penelitian
Pembuatan lapisan TiO2
Metode yang digunakan pada
pembuatan koloid TiO2 adalah “doctor
blade technique” atau metode casting.
Pembuatan koloid TiO2 dilakukan dengan
mencampurkan 0,5 gram TiO2 bubuk
nanokristal dengan 0,5 ml aseton dan satu tetes Triton X-100, larutan tersebut ditambahkan aquades 0,3 ml kemudian digerus secara perlahan hingga menjadi bentuk koloid. Larutan TiO2 koloid
dideposisikan pada substrat TCO yang sudah dicuci dengan sabun dan dibilas dengan etanol dan aseton. Selanjutnya pada ke dua sisi TCO yang berhadapan ditutup
dengan scotch tape kurang lebih 1-2 mm
dan pada kedua sisi lainnya ditutup kurang lebih 5-6 mm, sehingga bagian TCO yang dikosongkan memiliki luas penampang (1,1 x 0,9) cm2 dan (0,9 x 0,9) cm2.Setelah itu
larutan TiO2 didistribusikan secara merata
di atas substrat TCO dengan menggerakkan batang gelas di atas substrat TCO. Kemudian di keringkan di udara dan setelah satu menit scotchtape dikeluarkan (dibuka)
dengan hati-hati. Lapisan dipanaskan pada suhu 300 C selama 30 menit dan didinginkan pada suhu ruang. Hasil deposisi TiO2 tersebut kemudian dikarakterisasi
menggunakan XRD untuk mengetahui struktur kristal sampel. Jika struktur kristal tidak sesuai dengan yang diharapkan, maka proses pembuatan lapisan TiO2 diulang lagi.
Pembuatan larutan dye antosianin
Larutan dye antosianin dibuat dengan
menempatkan 20 gram strawberry segar
yang telah dipotong-potong kecil ke dalam sebuah mortar, kemudian ditumbuk hingga halus. Hasil tumbukan yang telah halus kemudian direndam (maserasi) di dalam pelarut yang terdiri dari 50 ml metanol + 8 ml asam asetat + 42 ml aquades selama 24
jam. Selama perendaman larutan dye
antosianin harus disimpan di tempat gelap. Setelah direndam selama 24 jam, lalu
larutan dye antosianin disaring
menggunakan kertas saring ke dalam botol berwarna gelap atau botol yang telah dilapisi aluminium foil. Kemudian larutan dye antosianin dikarakterisasi untuk
mengetahui panjang gelombang
serapannya.
Pembuatan polimer elektrolit CuSCN
Elektrolit padat berupa CuSCN dideposisi dengan metode casting.
Mula-mula 50 ml asetonitril dicampur dengan 0,1 ml HCl 34%. Kemudian diambil 12 ml dari larutan tersebut lalu dimasukkan 0,025 gram bubuk CuSCN sehingga terbentuk larutan CuSCN. Kemudian ditambahkan
(13)
11
polimer polyethynolglycol sampai larutan
CuSCN mengental. Agar berbentuk lapisan polimer CuSCN, digunakan teknik casting
yaitu larutan polimer CuSCN tersebut dideposisi pada lapisan TCO/TiO2/dye
kemudian didinginkan pada suhu ruang.
Pembuatan prototipe sel surya
Lapisan TiO2 yang telah terbentuk
direndam di dalam larutan dye sensitizer
antosianin selama 24 jam untuk sampel 1 dan 48 jam untuk sampel 2, kemudian dideposisi dengan elektrolit polimer CuSCN sampai merata ke seluruh bagian substrat. Substrat didinginkan dalam suhu ruang sampai kering. Sel surya ini kemudian dihubungkan dengan rangkaian pengukur karakterisasi I-V.
Karakterisasi XRD
Karakterisasi X-ray diffraction (XRD)
dilakukan untuk mengetahui struktur kristal lapisan TiO2. Selanjutnya digunakan untuk
menghitung nilai parameter kisi dan ukuran partikel.
Karakterisasi absorbansi
Karakterisasi absorbansi dilakukan
dengan menggunakan alat UV-VIS
GenesysTM 10 series spectrophotometers
untuk mengetahui daerah serapan dye
terhadap cahaya.
Karakterisasi arus-tegangan
Pengukuran arus-tegangan sel surya dilakukan dengan menggunakan Keithly 2400 source meter. Tegangan bias yang
diberikan dipindai dari -10 Volt hingga +8 Volt.
(14)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi XRD Lapisan TiO2Lapisan TiO2 yang telah dibuat
dikarakterisasi menggunakan sumber
cahaya Cu dengan tegangan 30 kV dan arus 30 mA di Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Bahan (P3IB) Badan Teknologi Nuklir Nasional, Serpong. Hasil analisis XRD ditampilkan pada Gambar 12. Hasil karakterisasi XRD tersebut menunjukkan bahwa lapisan TiO2
telah terdeposisi pada substrat TCO. Dari puncak-puncak yang muncul, terlihat bahwa telah terbentuk kristal TiO2 anatase dan
rutile. Dapat dilihat bahwa puncak yang
paling banyak dimiliki oleh fase anatase,
yakni pada sudut β sekitar βηo, 36o, 37o,
38o, 47o, 54o, 62o, 68o, 70o dan 740 yang
bersesuaian dengan orientasi bidang pada (101), (103), (004), (112), (200), (211), (213),(116), (220) dan (107) sesuai data JCPDS No. 21-1276 pada Lampiran 3. Sedangkan, fase rutile bisa dilihat dari
sudut β selain nilai-nilai tersebut di atas, diantaranya sekitar 27o, 36o, 41o dan 54o
yang bersesuaian dengan orientasi Kristal (110), (101), (111) dan (211) sesuai dengan data JCPDS No. 21-1272 pada Lampiran 4. Adanya puncak yang lain pada hasil XRD dimungkinkan ada unsur lain yang masuk pada saat pendeposisian lapisan TiO2.
Gambar 12 Hasil karakteristik XRD TiO2.
Karakterisasi XRD juga dapat
menentukan parameter kisi sampel TiO2.
TiO2 anatase memiliki sistem kristal
tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90 . Untuk menentukan parameter kisi dari sampel TiO2 digunakan metode
Cohen Persamaan (7), cara perhitungannya dapat dilihat pada Lampiran 5. Nilai parameter kisi yang didapat adalah a =
γ.701 Ǻ dan c = 9.βγ8 Ǻ. Nilai parameter kisi dari literatur adalah a = γ.78η Ǻ dan c = 9.η1γ Ǻ. Dari hasil yang diperoleh sampel TiO2 dengan literatur, ternyata sampel TiO2
memiliki parameter kisi yang lebih kecil. Hal ini menunjukkan bahwa bidang tetragonal kristal sampel memiliki volume yang lebih kecil bila dibandingkan dengan literatur, berdasarkan hasil perhitungan diperoleh volume untuk sampel sebesar 126,54 Å3 dan untuk literatur sebesar
136,25 Å3. Hal ini berarti kerapatan dari
sampel lebih kecil daripada yang terdapat di literatur sehingga daerah permukaan serapan dye-nya lebih baik karena terdapat
(15)
13
Ukuran kristal bisa diamati secara kasar dari bentuk puncak pada kurva XRD. Jika bentuk puncak semakin lebar, menandakan ukuran kristal semakin kecil. Puncak yang teramati dari sampel TiO2
relatif lebar sehingga ukuran kristal dari partikel TiO2 pada bubuk ini relatif kecil.
Perhitungan nilai ukuran kristal dengan menggunakan persamaan (7) sehingga didapatkan nilai sebesar 37.344 nm.
Dalam aplikasi sel surya TiO2
tersensitisasi dye, ukuran partikel TiO2
berskala nanometer ini memiliki kelebihan dapat menampung dye lebih banyak karena
terdapat banyak rongga di dalam lapisan TiO2. Sebaliknya jika ukuran partikelnya
besar hanya terdapat sedikit rongga sehingga hanya menampung sedikit dye dan
efisiensi yang dihasilkan lebih kecil dari yang berskala nanometer. Hal ini karena foton yang diserap dan pasangan elektron
hole yang dihasilkan menjadi sedikit. Karakterisasi Optik Dye Antosianin dan
Lapisan TiO2
Karakterisasi absorbansi diuji sifat
absorbansinya dengan menggunakan
spectrophotometer pada rentang panjang
gelombang 420-720 nm. Hasil karakterisasi serapan dye antosianin dapat dilihat pada
Gambar 13.
Hasil karakterisasi absorbansi terhadap panjang gelombang untuk ekstrak buah
strawberry menunjukkan bahwa daerah
serapan pada 451-623 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741. Hal ini berarti terkandung senyawa antosianin di dalamnya menyerap cahaya maksimum dalam daerah spektrum hijau (500-575 nm). Antosianin adalah zat utama pada buah-buahan yang sering digunakan sebagai dye pada aplikasi sel surya
tersensitasi dye. Oleh karena itu, ekstrak
buah strawberry cukup potensial digunakan
sebagai dye jika dilihat dari karakteisasi
absorbansinya. Panjang gelombang serapan
maksimum ( max) dye antosianin
dipengaruhi oleh adanya ion logam yang akan diikat oleh dye antosianin seperti
aluminium, besi, timah, titanium, krom dan uranium, yang mengakibatkan warna dye
berubah. Sedangkan nilai absorbansi dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan yang terjerap (teradsorpsi) pada permukaan TiO2, dimana
kandungan antosianin sebanding dengan cahaya yang diserap (absorbansi).
Hasil karakterisasi absorbansi
menunjukkan bahwa panjang gelombang pada lapisan TiO2 menunjukkan pada
rentang 426.99-624.61 nm dengan
maksimum pada panjang gelombang 426.99 nm dengan nilai absorbansi 1.677. Sedangkan panjang gelombang untuk ekstrak buah strawberry pada lapisan TiO2
adalah 428.01-624.61 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 428.01 nm dengan nilai absorbansi sebesar 1.808. Hal ini berarti ekstrak buah strawberry pada
lapisan TiO2 menyerap cahaya maksimum
dalam daerah spektrum biru (410-500 nm)
dan artinya dengan penambahan dye
antosianin pada lapisan TiO2 dapat
meningkatkan nilai panjang gelombang dan daya absorbansinya.
Analisis spektrum memperlihatkan bahwa kurva serapan untuk dye antosianin
pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran
bila dibandingkan dengan kurva serapan untuk larutan dye antosianin. Hal ini
disebabkan warna dye antosianin yang
berubah setelah jerapan (adsorpsi) pada lapisan TiO2. Perubahan warna ini sebagai
akibat terjadinya ikatan antara kromofor dye
dari antosianin dengan Ti dari TiO2, dimana
sebuah ion OH- dari Ti berikatan dengan
sebuah ion H+ dari dye antosianin
membentuk satu molekul H2O. Jerapan
(adsorpsi) pada permukaan TiO2 ini
membentuk quinoidal yang mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna
ungu dan hanya sedikit mengandung bentuk flavilium.
(16)
14
Gambar 13 Spektrum absorbansi.
Karakterisasi I-V n-TiO2 /dye/p-CuSCN Karakterisasi I-V dimulai dengan menguji nilai arus dan tegangan yang keluar dari kedua sampel yang telah dibuat menggunakan sumber cahaya matahari. Arus dan tegangan yang keluar dari sampel 1 dan 2 berturut-turut adalah 0.36 µA dan 199 mV; 0.40 µA dan 219 mV, seperti dapat dilihat pada Tabel 3. Nilai arus dan tegangan pada sampel 2 lebih besar dibandingkan pada sampel 1, hal tersebut dikarenakan faktor lamanya perendaman dalam dye. Semakin lama perendaman,
semakin banyak dye yang menempel pada
substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk menyerap cahaya pun semakin tinggi. Namun arus yang dihasilkan masih kecil dikarenakan elektron yang tereksitasi dari
dye ketika terjadi penyerapan cahaya hanya
sedikit yang terakumulasi pada substrat TCO. Hal ini disebabkan karena masih banyak terjadinya rekombinasi prematur.
Tabel 3 Voc dan Isc.
Sampel (mV) Voc (µA) Isc
1 199 0.36
2 219 0.40
Karakterisasi I-V yang kedua
menggunakan alat Keithly 2400 source meter yang hasilnya dapat dilihat pada
Gambar 14. Distribusi arus-tegangan yang
tidak linier dan tidak simetri menunjukkan bahwa pada sel terbentuk potensial penghalang yang dapat menghambat aliran
muatan. Pada Gambar 14 juga
menunjukkan bahwa kedua sampel yang
dibuat lebih bersifat fotovoltaik
dibandingkan fotokonduktif.
(a)
(b)
Gambar 14 Karakteristik I-V (a) sampel 1, (b) sampel 2.
(17)
15
Pada Gambar 14 dapat dilihat juga bahwa sampel 2 memiliki kenaikan arus yang lebih besar pada bias maju 2 volt yakni 0.3 mA sedangkan pada sampel 2 sebesar 4 mA, hal ini menunjukkan sampel 2 memiliki sensitivitas terhadap cahaya yang lebih tinggi dibandingkan sampel 2. Rendahnya kenaikan arus pada sampel 1 dibandingkan dengan sampel 2 dapat diakibatkan oleh beberapa faktor, yaitu lama perendaman, semakin berkurangnya lapisan dye dan ketebalan lapisan TiO2.
Penggunaan dye antosianin dari ekstrak
buah strawberry juga masih kurang baik karena daerah serapannya yang tidak lebar sehingga cahaya polikromatik dari lampu tidak dapat diserap maksimal. Dengan
kurang luasnya daerah serapan
menyebabkan foton yang diserap semakin kecil sehingga arus yang dihasilkan kecil.
Kedua kurva dari sampel yang telah dibuat menunjukkan kenaikan arus ketika diberikan potensial maju, hal ini terjadi karena pada saat tegangan bias mundur yang dipasang semakin mengecil (-10 ke 0 volt), maka potensial penghalang pada persambungan akan menurun sehingga menyebabkan pembawa mayoritas melintasi persambungan. Pembawa-pembawa ini akan meningkatkan arus maju dan menurunkan arus reverse ketika tegangan
mendekati nol. Adanya penyinaran oleh cahaya pada permukaan sampel akan meningkatkan pasangan elektron-hole di
daerah persambungan TiO2/dye/CuSCN.
Pasangan electron-hole akan terpisah oleh
medan listrik yang kemudian akan berkontribusi terhadap peningkatan arus foto, sehingga yang terlihat pada Gambar 14 adanya peningkatan arus ketika sel disinari dibandingkan dengan gelap.
Kualitas sampel sel surya yang dibuat dapat dilihat dari respon dinamik sel terhadap cahaya intensitas tinggi dan kestabilan tegangan sampel ketika sampel disinari cahaya yang ditunjukkan oleh Gambar 15 untuk sampel perendaman 24 jam dan Gambar 16 untuk sampel perendaman 48 jam. Pada Gambar 16
kenaikan tegangan terhadap intensitas yang lebih tinggi dibandingkan pada Gambar 15.
Gambar 15 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 1 terhadap cahaya.
Gambar 16 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 2 terhadap cahaya. Terjadinya perbedaan pada kedua sampel dapat disebabkan oleh perbedaan karakteristik sampel dalam merespon
cahaya, yakni ada sampel yang
sensitivitasnya tinggi terhadap cahaya intensitas rendah, tetapi ada juga sampel yang mulai merespon cahaya jika intensitasnya tinggi. Hal ini juga dapat dipengaruhi oleh sedikitnya eksiton yang dibangkitkan dan rendahnya jumlah muatan yang sampai di elektroda ketika sel disinari oleh cahaya intensitas rendah. Sedikitnya
(18)
16
muatan yang sampai di elektroda, dapat disebabkan oleh panjangnya lintasan difusi muatan, sehingga banyak muatan yang
berekombinasi sebelum sampai di
elektroda. Karakteristik CuSCN sebagai elektrolit padat sendiri mungkin kurang mendukung dalam proses kerja sel surya, dimana CuSCN kurang dapat membawa hole dari dye yang teroksidasi ke elektroda lawan atau hanya sedikit hole yang dibawa sehingga terjadi rekombinasi prematur yang sangat tidak diharapkan.
Kelemahan sel surya organik adalah kestabilan tegangannya rendah dan terjadi penurunan tegangan yang cepat pada kondisi penyinaran. Hal tersebut juga terjadi pada sampel yang dibuat seperti ditunjukkan pada Gambar 15 dan 16, pada gambar tersebut kestabilan tegangan rendah. Parameter-parameter fotovoltaik yang terukur sangat dipengaruhi oleh masing-masing struktur lapisan aktif penyusun sampel. Ketebalan lapisan yang terlalu besar dengan struktur permukaan yang tidak homogen dapat memperbesar hambatan internal sel, sehingga dapat
mengurangi mobilitas muatan yang
(19)
KESIMPULAN DAN SARAN
KesimpulanPada penelitian ini telah dibuat
prototipe sel surya TiO2 dengan
menggunakan dye antosianin dari ekstrak
buah strawberry dan polimer CuSCN. Hasil
karakterisasi XRD TiO2 menunjukkan
bahwa pada sampel TiO2 yang dibuat
terbentuk kristal anatase dan rutile, tetapi
yang paling dominan terbentuk adalah
anatase. Parameter kisi dari sampel TiO2
adalah a = γ.701 Ǻ dan c = 9.βγ8 Ǻ dan
ukuran kristalnya adalah 37.344 nm.
Dye antosianin dari ekstrak buah strawberry mempunyai daerah serapan
optik 451-623 nm dan mencapai maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741.
Berdasarkan kurva arus-tegangan, sampel yang memiliki kenaikan arus yang lebih tinggi adalah sampel 2 yakni sampel dengan lama perendaman 48 jam. Sehingga dapat dikatakan bahwa semakin lama waktu perendaman dalam dye akan meningkatkan
arus terhadap tegangan bias maju. Pada kurva arus tegangan juga menunjukkan bahwa sampel yang dibuat lebih bersifat fotovoltaik dibandingkan fotokonduktif yang ditunjukkan oleh tidak linier dan tidak simetri yang dihasilkan.
Saran
Pada penelitian selanjutnya
disarankan agar mengontrol ketebalan masing-masing lapisan, yakni dengan mencari teknik deposisi yang lebih baik dan dapat dilakukan di ruang vakum sehingga kemungkinan masuknya unsur-unsur lain lebih kecil, karena ketebalan lapisan dapat mempengaruhi daya serap sampel. Untuk
mengoptimalkan penyerapan cahaya
sebaiknya digunakan dye yang mempunyai
daerah serapan lebar dan lebih
(20)
SKRIPSI
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM
DIOKSIDA SENSITISASI
DYE
ANTOSIANIN
DARI EKSTRAK BUAH
STRAWBERRY
AYU SITI RAHMAWATI
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
(21)
DAFTAR PUSTAKA
1. Brian Y. Teknologi sel surya untuk sumber energi masa depan 2008.
[terhubung berkala].
http://semangatbelajar.com/teknologi- sel-surya-untuk-sumber-energi-masa-depan/ [10 November 2010].
2. D.O, Agot, K.V.O. Rabah, T. Stephen Sathiarj. Alternative dyes for TiO2 thin
film solar cells 2001. Journal of Technlogy; Volume : 10, 1-9
3. Smestad GP. Nanocrystalline solar cell kit: Recreating photosynthaesis. Journal of Institut for Chemical Education 1998; 55.
4. Soleh A. Pembuatan sel surya
fotoelektrokimia titanium dioksida (TiO2) dengan ekstraksi klorofil daun
bunga sepatu (Hibiscus rosasinensis L) sebagai dye sensitizer [Skripsi]. Bogor:
Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2002.
5. Benjah.Anatase2007.[terhubungberkal
a].http://en.wikipedia.org/wiki/File:An atase-unit-cell-3D-balls.png
6. Benjah. Rutile 2007.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rutile
e-unit-cell-3D-balls.png [10 November 2010].
7. Gunlazuardy J. Fotokatalisis pada permukaan TiO2 : Aspek Fundamental
dan aplikasinya. Di dalam: Seminar Nasional Kimia Fisika II;Jakarta.:
Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Indonesia. 2001.
8. Olea, Alfredo, Georgina Ponce, P.J Sebastian. Electron transfer via organic dyes for solar conversion. Solar nnergy materials and solar cells. Journal of Institut for Chemical Education
1999;59, 137-143
9. Kalyanasundaram, K., M. Gratzel. Applications of transition metal
complexes in photonic and
optoelectronic devices. Coordination Chemistry Reviews 1998; 77 page
347-414.
10. Yudaswara E. Prototipe sel surya
tersensitisasi dye menggunakan
eletroda lapisan campuran nanokristal TiO2 – Ta2O5 dengan elektrolit padat
berbasis polimer [Skripsi]. Bogor :
Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2005.
11. Mourad F. Prototipe sel surya
tersensitisasi dye menggunakan
elektroda TiO/ZnO dan CuSCN sebagai konduktor Hole [skripsi].
Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2005.
12. Schottenfeld J, R. S. Rarig Jr, J. Zubieta and R. L. LaDuca. Metal-organic compounds 2007; Volume 63 : Part 1, hal. 278-280. [terhubung berkala].
http://www.fysast.uu.se/molcond/conte
nt/diploma-projects [9 November
2010].
13. [Anonim]. Kandungan antosianin
dalam ubi jalar 2009. [terhubung berkala].http://repository.usu.ac.id/bitst ream/123456789/16577/4/Chapter%20 II.pdf [10 November 2010].
14. Timuda GE. Sintesis nanopartikel TiO2
dengan metode sonokimia untuk aplikasi sel surya tersensitisasi dye
(dye sensotized solar cell – DSSC)
menggunakan ekstrak kulit buah
manggis dan plum sebagai
photosensitizer [tesis]. Bogor :
Program Pascasarjana, Institut
(22)
19
15. Hao, S.C., Wu, J.H., Huan, Y., Lin, J. Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell. Solar Energy
2006; 80: 209-214.
16. Muchtadi TR, Sugiyono. Ilmu
Pengetahuan Bahan Pangan 1989.
Departemen Pendidikan dan
Kebudayaan, Dirjen Pendidikan
Tinggi, Pusat Antar Universitas Pangan dan Gizi, Institut Pertanian Bogor. Indonesia.
17. Hamlet P. Anthocyanins and thin layer chromatography 2003. Chem. 326. Lab Experimen. Pittsburgh State University Chemistry Department.
18. Mohtar. Prinsip kerja dye-sensitized solar sel 2009. [terhubung berkala]. http://1.bp.blogspot.com/_FWLmzOKc Xgk/SdyGd0rjaVI/AAAAAAAAAA4/ Mn02Om-zxRQ/s320/Struktur+DSSC [10 November 2010].
19. Mohtar. How DSSC is work 2009.
http://1.bp.blogspot.com/_FWLmzOKc Xgk/SdyGd0rjaVI/AAAAAAAAAA4/ Mn02Om-zxRQ/s320/Struktur+DSSC [10 November 2010].
20. Prasetyaningrum H. Pembuatan dan karakterisasi prototipe sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN
[Skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2004.
21. Cullity, B. D. Element of x-ray diffraction, 2nd Edition 1978. Addison–
Wesley Publishing Company.
22. Purnomo, Chandra W. Difraksi2 2009.
[terhubung berkala].
http://materialcerdas.wordpress.com/te ori-dasar/difraksi-2/ [10 November 2010].
23. Rusdianto. Sel surya nanokristal TiO2
(Titanium dioxide) dengan ekstrak
antosianin kol merah (Brassica
oleracea) sebagai dye sensitizer dan elektrolit padat berbasis polimer [skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2004.
24. Asmuni. Karakteristik pasir kuarsa (SiO2) dengan metode XRD 2002.
[terhubung berkala].
http://repository.usu.ac.id/handle/1234 56789/1849 [20 November 2010].
25. Lesmana TJ. Pembuatan dan
karakterisasi sel surya hibrid
ITO/CdS/Klorofil/PANI/ITO [tesis]. Bogor : Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor; 2009.
26. Sukmawati W. Pembuatan dan
karakterisasi sel surya TiO2
tersensitisasi dye dengan elektrolit
padat berbasis polimer [Skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2004.
(23)
SKRIPSI
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM
DIOKSIDA SENSITISASI
DYE
ANTOSIANIN
DARI EKSTRAK BUAH
STRAWBERRY
AYU SITI RAHMAWATI
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
(24)
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM
DIOKSIDA SENSITISASI
DYE
ANTOSIANIN
DARI EKSTRAK BUAH
STRAWBERRY
AYU SITI RAHMAWATI
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
(25)
ABSTRAK
AYU SITI RAHMAWATI Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Titanium
Dioksida Sensitisasi
Dye
Antosianin dari Ekstrak Buah
Strawberry
. Dibimbing oleh
Dr. AKHIRUDDIN MADDU dan Dr. Ir. IRMANSYAH, M.Si.
Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan mempelajari prototipe sel surya
nanokristal n-TiO
2/
Dye
/p-CuSCN tersensitisasi
dye
antosianin dari ekstrak buah
strawberry
, serta melakukan karakterisasi arus-tegangan. Karakterisasi sel surya yang
dibuat meliputi XRD, spektrum serapan dan arus-tegangan. Hasil karakterisasi XRD
TiO
2menunjukkan bahwa pada sampel TiO
2yang dibuat terbentuk kristal
anatase
dan
rutile
, tetapi yang paling dominan terbentuk adalah
anatase
.
Dye
antosianin dari
ekstrak buah
strawberry
mempunyai daerah serapan optik 451-623 nm dan mencapai
maksimum pada panjang gelombang 524 nm dengan nilai absorbansi sebesar 2.741.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa arus dan tegangan yang dihasilkan dipengaruhi
oleh lama perendaman di dalam
dye
yakni sampel dengan lama perendaman 2 hari
memiliki tegangan lebih besar dibandingkan sampel dengan lama perendaman 1 hari
yaitu 219 mV, sedangkan tegangan dengan lama perendaman 1 hari yaitu sebesar 199
mV. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa sel surya yang direndam selama 2 hari
memiliki sensitivitas yang lebih tinggi, lebih bersifat fotovoltaik dan arus serta
tegangan yang dihasilkan pun lebih tinggi dibandingkan sel surya yang direndam
selama 1 hari.
(26)
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SEL SURYA TITANIUM
DIOKSIDA SENSITISASI
DYE
ANTOSIANIN
DARI EKSTRAK BUAH
STRAWBERRY
AYU SITI RAHMAWATI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
(27)
Judul
: Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Titanium Dioksida
Sensitisasi
Dye
Antosianin dari Ekstrak Buah
Strawberry
Nama
: Ayu Siti Rahmawati
NIM
: G74070030
Departemen
: Fisika
Menyetujui
Dr. Akhiruddin Maddu
Pembimbing 1
Dr. Ir. Irmansyah, M.Si
Pembimbing 2
Mengetahui
Dr. Ir. Irzaman, M.Si
Ketua Departemen Fisika
(28)
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahirabbil’alamin, segala puji bagi Allah yang telah memberikan
limpahan rahmat dan karunia-Nya, Shalawat serta salam semoga selalu dicurahkan
kepada Rosulullah SAW. Dengan rahmat Allah SWT penulis dapat menyelesaikan
skripsi dengan judul “Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya TiO
2Sensitisasi
Dye
Antosianin dari Ekstrak Buah
Strawberry
”.
Skripsi ini disusun sebagai salah satu
syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor.
Pemilihan judul ini didasari pada
prospek kedepannya bagus sebagai sumber energi baru yang dapat menggantikan
energi yang telah ada.
Pada kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terimakasih kepada
kedua orang tua, kakak dan para sahabat yang selalu memberikan nasehat, bimbingan
dan semangat kepada penulis. Kepada Bapak Akhiruddin dan Bapak Irmansyah
sebagai pembimbing skripsi yang selalu memberikan motivasi, semangat untuk
menyelesaikan penelitian ini dan menyempatkan waktunya untuk berdiskusi
mengenai penyusunan skripsi ini. Kepada Kak Kusnadi dan keluarga, Yuliane,
teman-teman satu kosan, dan rekan-rekan fisika angkatan 43, 44 dan 45 beserta
civitas akademika fisika lainnya yang telah banyak banyak membantu penulis selama
ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari
kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun sangat penulis
harapkan. Semoga hasil penelitian ini bisa memberikan kontribusi bagi pemanfaatan
sumber energi alternatif yang baru.
Bogor, Mei 2011
(29)
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 22 Oktober 1989
sebagai anak ke-enam dari enam bersaudara dari pasangan
Drs. Rahmat Hidayat dan Siti Komariah. Pada tahun 2001,
penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN Kiansantang
Garut. Pada tahun 2004, penulis menyelesaikan pendidikan
menengah pertama di SMPN 1 Garut. Kemudian pada tahun 2007, penulis
menyelesaikan pendidikan menengah atas dengan jurusan IPA di SMAN 1 Garut.
Pada tahun yang sama, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui
jalur USMI di departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
IPB.
Selama menjadi mahasiswa Departemen Fisika, penulis pernah aktif dalam
kelembagaan antara lain sebagai Bendahara II Himpunan Mahasiswa Fisika
Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam pada tahun
kepengurusan 2009/2010. Penulis juga pernah mengikuti beberapa kepanitiaan serta
menjadi peserta dalam beberapa kegiatan. Penulis juga aktif memberikan pelajaran
tambahan untuk mahasiswa tingkat pertama. Selain itu penulis juga pernah menjadi
asisten praktikum mata kuliah Eksperimen Fisika I pada tahun 2010-2011. Motto
hidup penulis adal
ah “sempurnakan usaha dengan do’a”.
(30)
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL
... v
DAFTAR GAMBAR
... vi
DAFTAR LAMPIRAN ... vii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ... 1
Perumusan Masalah ... 2
Hipotesis ... 2
Tujuan Penelitian ... 2
TINJAUAN PUSTAKA
Material Titanium Dioksida (TiO
2) ... 2
CuSCN ... 3
Antosianin sebagai
Dye Sensitizer
... 3
Sel Surya Tersensitisasi
Dye
... 4
Sel Surya Nanokristal n-TiO
2/dye/p-CuSCN ... 5
Karakterisasi X-
ray
Diffraction
(XRD) ... 7
Karakterisasi Spektrum Serapan ... 8
Karakterisasi Arus-Tegangan Sel Surya ... 8
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian ... 10
Alat dan Bahan ... 10
Metode Penelitian ... 10
Pembuatan lapisan TiO
2... 10
Pembuatan larutan
dye
antosianin ... 10
Pembuatan elektrolit CuSCN ... 10
Pembuatan prototipe sel surya ... 11
Karakterisasi
XRD
... 11
Karakterisasi absorbansi ... 11
Karakterisasi arus-tegangan ... 11
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi XRD Lapisan TiO
2... 12
Karakterisasi Optik
Dye
Antosianin dan Lapisan TiO
2... 13
Karakterisasi I-V n-TiO
2/
dye
/p-CuSCN ... 14
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan ... 17
Saran ... 17
DAFTAR PUSTAKA ... 18
LAMPIRAN ... 20
(31)
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1 Perbedaan struktur kristal
anatase
dan
rutile
... 3
Tabel 2 Kandungan antosianin dan bentuk glikosidanya ... 4
Tabel 3 Voc dan Isc... 14
(32)
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1 Struktur kristal TiO
2... 2
Gambar 2 Struktur senyawa CuSCN... 3
Gambar 3 Struktur kimia antosianin ... 3
Gambar 4 Skema kerja sel surya tersensitisasi
dye ...
5
Gambar 5 Struktur sel surya nanokristal n-TiO
2/dye/p-CuSCN ... 6
Gambar 6 Skema injeksi elektron ... 6
Gambar 7 Prinsip XRD ... 7
Gambar 8 Pantulan sinar-X oleh bidang atom S
1S
1dan S
2S
2terpisah pada
jarak d ... 7
Gambar 9 Karakteristik arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya ... 8
Gambar 10 Rangkaian pengukuran karakterisasi arus-tegangan sel surya ... 9
Gambar 11 Pengukuran tegangan pada rangkaian terbuka [V
oc] ... 9
Gambar 12 Hasil karakterisasi XRD TiO
2... 12
Gambar 13 Spektrum absorbansi ... 14
Gambar 14
(a) Kurva karakterisasi I-V sampel 1 ... 14
(b) Kurva karakterisasi I-V sampel 2 ... 14
Gambar 15 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 1
terhadap cahaya ... 15
Gambar 16 Respon dinamik dan kestabilan tegangan sampel 2
(33)
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Diagram alur penelitian ... 31
Lampiran 2 Data JCPDS kristal TiO
2fase
Rutile
... 32
Lampiran 3 Data JCPDS kristal TiO
2fase
Anatase
... 33
Lampiran 4 Deteksi puncak parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan
metode Cohen dan Cramer ... 34
Lampiran 5 Menentukan parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan
metode Cohen dan Cramer ... 35
Lampiran 6 Alat dan bahan yang digunakan selama penelitian ... 37
(34)
PENDAHULUAN
Latar BelakangPertumbuhan populasi penduduk,
perkembangan industri dan perkembangan
teknologi mengakibatkan pemenuhan
kebutuhan energi yang sangat banyak. Energi yang dihasilkan sampai saat ini masih bersumber dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, sehingga ada kemungkinan ketersediaan energi akan berkurang. Hal tersebut terjadi karena kebutuhan terhadap energi yang tidak terbatas sementara ketersediaan energi yang dihasilkan terbatas. Oleh karena itu, dibutuhkan terobosan – terobosan baru untuk menciptakan alternatif sumber energi yang terbarukan, praktis, ramah lingkungan dan murah. Salah satu alternatif yang dapat dikembangkan yakni pemanfaatan sinar matahari.
Suplai energi matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024
joule pertahun. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Oleh karena itu, sinar matahari merupakan alternatif sumber energi yang dapat dikembangkan melalui konversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung atau efek fotovoltaik dengan sistem sel surya. Dengan kata lain, jika permukaan bumi ditutup sebesar 0.1 % menggunakan piranti sel surya yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi listrik di seluruh dunia saat ini. Perkembangan yang pesat dari industri sel surya pada tahun 2004 telah mencapai tingkat 1000 MW membuat banyak kalangan semakin melirik sumber energi masa depan yang sangat diharapkan ini. 1
Bahan dasar yang banyak digunakan dalam sel surya adalah semikonduktor. Salah satu dari sejumlah material semikonduktor yang digunakan dalam teknologi sel surya sebagai bahan dasarnya
adalah titanium dioksida (TiO2). Selain itu
material TiO2 mempunyai daya oksidasi
yang tinggi, stabilitasnya tinggi dalam mencegah fotokorosi, tidak beracun, serta dapat diaplikasikan sebagai fotokatalis untuk mereduksi senyawa organik yang
dapat membahayakan lingkungan.2
Perkembangan teknologi sel surya pada saat ini memang menunjukkan harapan harga sel surya yang murah dan memiliki efisiensi yang tinggi. Oleh karena itu untuk menekan biaya pembuatan dan produksi yang kompleks sebagai alternatif pembuatan
piranti fotovoltaik maka saat ini
dikembangkan sel surya tersensitisasi dye
yang berbasis semikonduktor nanokristal. Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan sel surya TiO2 tersensitisasi dye
menggunakan tembaga tiosianat (CuSCN) sebagai semikonduktor tipe-p.
Perumusan Masalah
Yang menjadi perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh lama perendaman dye terhadap
arus dan tegangan yang dihasilkan ? Hipotesis
Sel surya tersentisasi dye akan
dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye, yakni lebih lama dilakukan
perendaman maka arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar, dan sebaliknya.
Tujuan Penelitian
Membuat dan mempelajari prototipe sel surya nanokristal n-TiO2/dye/p-CuSCN
tersensitisasi dye antosianin dari ekstrak
buah strawberry, serta melakukan
(35)
TINJAUAN PUSTAKA
Material Titanium Dioksida (TiO2)Nanopartikel TiO2 merupakan material
semikonduktor tipe-n yang mempunyai ukuran partikel antara 10 sampai 50 nanometer.3 TiO
2 berperan penting dalam
pemanfaatan fotoenergi karena memiliki daya oksidatif dan stabilitas yang tinggi terhadap fotokorosi, murah, mudah didapat dan tidak beracun. TiO2 mempunyai
kemampuan untuk menyerap dye lebih
banyak karena di dalamnya terdapat rongga dan ukurannya dalam nano, maka disebut nanoporous. Struktur TiO2 memiliki tiga
bentuk struktur yaitu rutile, anatase dan brukit. Rutile dan anatase cukup stabil,
sedangkan brukit sulit ditemukan, biasanya
terdapat dalam mineral dan sulit
dimurnikan.4 Struktur
anatase dan rutile
dapat dilihat pada Gambar 1.
a. Anatase
b. Rutile
Gambar 1 Struktur kristal TiO2 (001)5,6
Struktur kristal anatase dan rutile .
TiO2 adalah tetragonal dan dapat
digambarkan sebagai rantai oktahedron
TiO6. Perbedaan keduanya terdapat pada
distorsi oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya. Masing-masing ion Ti4+
dikelilingi oleh enam ion O2-. Oktahedral
pada struktur rutile mengalami sedikit
distorsi ortorombik, sedangkan pada
anatase distorsi ortorombiknya cukup besar
sehingga relatif tidak simetri. Jarak antara Ti-Ti anatase lebih besar pada anatase
dibandingkan dengan rutile (3,79 dan 3,04
Å dengan 3,57 dan 3,96 Å) sedangkan jarak Ti-O anatase lebih kecil dibanding dengan rutile (1,934 dan 1,980 Å dengan 1,949 dan
1,980 Å). Setiap oktahedron pada struktur
rutile dikelilingi oleh sepuluh oktahedron
tetangga, sedangkan pada struktur anatase
setiap oktahedron hanya dikelilingi delapan oktahedron tetangga. Distorsi ortorombik menyebabkan terjadinya perbedaan luasan aktif, anatase memiliki simetri geometris
yang lebih mendukung untuk mengabsorbsi cahaya karena luasan aktifnya lebih besar daripada rutile.7
Panjang gelombang yang dapat diserap
anatase adalah 388 nm dan 413 nm pada rutile. Anatase mempunyai kerapatan 3,89
g/cm3, sedangkan rutile 4,26 g/cm3. Anatase
dapat disintesis pada suhu rendah dengan metode preparasi elektrolisis TiCl4,
TiOSO4, atau dari titanium alkokosida.8
Bentuk kristal anatase terjadi pada
pemanasan suhu rendah (100-7000C),
sedangkan pada rutile terbentuk pada suhu
tinggi (700-10000C) dan pada suhu tersebut
rutile dapat mengalami transformasi
menjadi anatase.9 Perbedaan antara struktur
kristal anatase dan rutile ditunjukkan pada
(36)
3
Tabel 1 Perbedaan struktur kristal anatase
dan rutile.10 Faktor
perbedaan AnataseTiO2
TiO2 Rutile
Sistem kristal Tetragonal Tetragonal
Parameter kisi a (Å) c (Å) Vol (Å3)
3,7852 9,5139 136,25 4,5933 2,9592 62,07 Massa jenis
(gram/ cm3) 3,8950 4,2743
Celah energi
(Eg) (eV) 3,2 3,0
CuSCN
Elektrolit padat digunakan untuk mengurangi degradasi sel yang terjadi pada elektrolit cair sehingga dapat meningkatkan stabilitas sel surya. CuSCN merupakan senyawa anorganik yang berwarna putih agak transparan dan mempunyai celah energi 3,6 eV. CuSCN merupakan semikonduktor tipe-p. Sel surya ini menggunakan fenomena persambungan semikonduktor p-n, namun disisipi dye
diantara keduanya.11
Pada lapisan TiO2 yang merupakan
semikonduktor tipe-n pembawa
mayoritasnya adalah elektron yang berasal dari atom-atom donor, sedangkan pada CuSCN yang merupakan semikonduktor tipe-p pembawa mayoritasnya adalah hole
yang berasal dari atom-atom akseptor.11
Struktur CuSCN dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Struktur senyawa CuSCN.12
Antosianin sebagai Dye Sensitizer
Antosianin merupakan salah satu dari kelas flavonoid yang berupa pigmen berwarna merah, ungu atau biru dan dapat larut di dalam air. Antosianin merupakan pewarna yang penting dan tersebar luas dalam tumbuhan. Secara kimia antosianin merupakan turunan suatu struktur aromatik tunggal, yaitu sianidin, dan semuanya terbentuk dari pigmen sianidin ini dengan penambahan atau pengurangan gugus hidroksil atau dengan metilasi. Antosianin tidak mantap didalam larutan netral atau basa, sehingga antosianin harus diekstraksi dari tumbuhan dengan pelarut yang mengandung asam asetat atau asam hidroklorida (misalnya metanol yang mengandung HCl pekat 1%) dan larutannya harus disimpan di tempat gelap serta sebaiknya didinginkan. Antosianidin ialah aglikon antosianin yang terbentuk bila antosianin dihidrolisis dengan asam. Ada enam jenis antosianidin, yaitu : sianidin, pelargonidin, peonidin, petunidin, malvidin dan delfinidin.13 Struktur antosianin dapat
dilihat pada Gambar 3.
Senyawa antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya, sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2.
Antosianin adalah komposisi kunci dari beberapa dye alami. Antosianin potensial
dipergunakan sebagai sensitizer karena
memiliki spektrum cahaya dalam rentang yang cukup lebar, dari merah hingga biru. Sementara pada klorofil terdapat gugus alkil pada struktur karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan TiO2.14
(37)
4
Gambar 3 Struktur kimia antosianin. 15
Warna pigmen antosianin merah, biru, violet, dan biasanya dijumpai pada bunga, buah-buahan dan sayur-sayuran. Warna yang disebabkan oleh adanya antosianin dipengaruhi oleh konsentrasinya dan pH dari pelarut. Konsentrasi antosianin yang rendah mengakibatkan warna tidak merah melainkan ungu. Apabila konsentrasinya sangat tinggi maka warnanya menjadi ungu tua atau dapat menjadi hitam. pH pelarut
sangat berpengaruh terhadap warna
antosianin. Secara umum pada pH rendah (pH<7) antosianin berwarna merah, pada pH netral (pH=7) berwarna biru dan pH tinggi (pH>7)berwarna putih. Disamping itu adanya ion logam akan diikat oleh antosianin, misalnya dengan ion Al, menyebabkan antosianin akan berwarna biru.16
Bahan alam seperti anggur merah (Malus pumila), blueberry (Vaccinium corymbosom), cranberry (Vaccinium macrocarpon), strawberry (Fragaria anannassa), kol merah (Brassica oleracea)
dan lain-lain mengandung antosianin. Kandungan antosianin dan bentuk glikosida yang terdapat pada sumber makanan tersebut diperlihatkan pada Tabel 3.17
Tabel 2 Kandungan antosianin dan bentuk glikosidanya.
Sumber
makanan Antosianin glikosida Bentuk
Apel Sianidin Monoglikosida
Blueberry Malvidin Petunidin Delpinidin Monoglikosida Monoglikosida Monoglikosida Cranberry Sianidin
Peonidin Monoglikosida Monoglikosida
Kol merah Sianidin Diglikosida
Stawberry Pelargonidin
Sianidin Monoglikosida Monoglikosida
Dye sensitizer berasal dari dua kata
yaitu dye dan sensitization. Dye merupakan
molekul pigmen atau senyawa kimia yang
dapat menyerap cahaya, sensitisasi
merupakan proses membuat sel surya
menjadi peka terhadap cahaya, dan injeksi adalah proses transfer elektron dari molekul dye ke daerah pita konduksi semikonduktor
yang terjadi karena absorpsi cahaya2.
Lapisan dye yang digunakan merupakan
lapisan tunggal (monolayer) dye dan
berfungsi sebagai absorber sinar matahari
yang utama sehingga menghasilkan aliran
elektron. Proses penyerapan cahaya
matahari oleh sel surya nanokristal TiO2
tersentisasi dye menyerupai mekanisme
fotosintesis pada daun tumbuhan, dengan klorofil sebagai dye-nya.
Sel Surya Tersensitisasi Dye
Skema kerja dari sel surya
tersensitisasi dye yang ditunjukkan pada
Gambar 4, pada dasarnya merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama
dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton.
Elektron tereksitasi dari keadaan dasar (D) ke keadaan tereksitasi (D*). Elektron dari keadaan tereksitasi kemudian langsung terinjeksi menuju pita konduksi (ECB) TiO2
sehingga dye molekul teroksidasi (D+).
Dengan adanya donor elektron oleh elektrolit (I-) maka molekul dye kembali ke
keadaan awalnya (ground state) dan
mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang teroksidasi. Setelah mencapai
elektroda TCO, elektron mengalir menuju
counter elektroda melalui rangkaian
eksternal. Dengan adanya katalis pada
counter elektroda, elektron diterima oleh
elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada
elektrolit (I3-) akibat donor elektron pada
proses sebelumnya, berkombinasi
membentuk iodide (I-). Iodide ini digunakan
untuk mereduksi dye yang teroksidasi
membentuk triiodide (I3-), sehingga
membentuk suatu siklus transport elektron.
Dengan siklus ini terjadi konversi langsung dari cahaya matahari menjadi listrik.18
(1)
(2)
(3)
Lampiran 4 Deteksi puncak sampel TiO2
2-Theta d(A) BG Height I% Area I% FWHM
21.053 4.2163 50 36 9 656 6.5 0.31
25.072 3.5487 54 398 100 10090 100 0.431 25.539 3.4850 59 34 8.5 1141 11.3 0.571 27.204 3.2753 49 81 20.4 1472 14.6 0.309 30.038 2.9724 39 102 25.6 1693 16.8 0.282
34.965 2.5641 26 57 14.3 994 9.9 0.296
35.872 2.5013 28 38 9.5 753 7.5 0.337
36.751 2.4435 31 26 6.5 758 7.5 0.496
37.586 2.3910 27 86 21.6 3241 32.1 0.641 38.308 2.3476 20 35 8.8 1053 10.4 0.511
41.032 2.1979 19 20 5 442 4.4 0.376
47.798 1.9013 18 140 35.2 3661 36.3 0.445
50.325 1.8116 16 24 6 561 5.6 0.397
53.763 1.7036 17 83 20.9 3796 37.6 0.777 53.962 1.6978 21 71 17.8 3601 35.7 0.862 54.829 1.6730 23 71 17.8 2401 23.8 0.575 62.064 1.4942 16 23 5.8 1756 17.4 1.298 62.510 1.4846 17 59 14.8 2409 23.9 0.694
68.688 1.3654 20 27 6.8 716 7.1 0.451
70.100 1.3413 18 23 5.8 713 7.1 0.527
(4)
Lampiran 5 Menentukan parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan metode Cohen dan Cramer
Untuk menentukan parameter kisi kristal tetragonal digunakan persamaan : Σα sin2 = CΣα2+ BΣα + AΣα
Σ sin2 = CΣα + BΣ 2+ AΣ Σ sin2 = CΣα + BΣ + AΣ 2 Keterangan :
h,k,l adalah indeks Miller
α = h
2+k
2= 10 sin
2β
A = d/10
B = λ
2/(4c
2)
C = λ
2/(4a
2)
2θ θ hkl Sin22θ Sin2θ α α2 γ γ2
25.072 12.536 101 0.17957 0.047112 1 1 1 1 36.751 18.3755 103 0.358009 0.099378 1 1 9 81 37.586 18.793 004 0.372041 0.103781 0 0 16 256 38.308 19.154 112 0.384262 0.107655 2 4 4 16 47.798 23.899 200 0.548757 0.164127 4 16 0 0 54.829 27.4145 211 0.668203 0.211991 5 25 1 1 62.064 31.032 213 0.780522 0.265757 5 25 9 81 68.688 34.344 116 0.867907 0.318277 2 4 36 1296
70.1 35.05 220 0.884142 0.32981 8 64 0 0 74.859 37.4295 107 0.931777 0.369402 1 1 49 2401
(5)
Lanjutan
Lampiran 5 Menentukan parameter kisi dan ukuran kristal menggunakan metode Cohen dan Cramer
αγ δ δ2 γδ αδ αsin2θ γsin2θ δsin2θ
1 1.795698 3.224533 1.795698 1.7956985 0.047112 0.047112 0.084599 9 3.580091 12.81705 32.22082 3.5800906 0.099378 0.894405 0.355783 0 3.720409 13.84144 59.52654 0 0 1.66049 0.386106 8 3.842619 14.76572 15.37048 7.6852376 0.21531 0.43062 0.413677 0 5.487567 30.11339 0 21.950268 0.656507 0 0.900657 5 6.682025 44.64946 6.682025 33.410126 1.059953 0.211991 1.416527 45 7.805218 60.92143 70.24696 39.02609 1.328787 2.391817 2.074295 72 8.679067 75.32621 312.4464 17.358135 0.636554 11.45797 2.762346 0 8.841418 78.17067 0 70.731341 2.638482 0 2.91599 49 9.31777 86.82084 456.5707 9.3177701 0.369402 18.10071 3.442006 189 420.6507 954.8597 204.85476 7.051486 35.19512 14.75199 Dari tabel tersebut berdasarkan persamaan Untuk menghitung parameter kisi diperoleh matriks seperti berikut:
7.051486 141 C 189 B 204.8548 A
35.19512 189 C 4133 B 954.8597 A
14.75199 204.8548 C 954.8597 B 420.6507 A Hasil akhir parameter kisi tetragonal menggunakan metode Cohen dan Cramer adalah :
Parameter kisi (tetragonal)
TiO2
a (Ǻ) 9.238342
c (Ǻ) 3.701085
Setelah dicari dengan menggunakan persamaan (7) didapatkan ukuran kristal sebesar 37.34419 nm.
(6)
Lampiran 6 Alat dan bahan yang digunakan selama penelitian
Voc dan Isc sampel 1 Voc dan Isc sampel 2 Output sensor tegangan
Strawberry Penyaringan dye Perendaman dalam dye