Kinerja Solid State Dye Sensitized Solar Cell (SSDSSC) Berbasis pn Junction dengan TiO2 Nanorods sebagai Fotoanoda dan CuSCN sebagai Hole Transport Material (HTM).
KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2
NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI
HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)
Disusun oleh :
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
M0312038
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan
mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Juli, 2016
i
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi
KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2
NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI
HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
NIM. M0312038
Skripsi ini dibimbing oleh :
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Sayekti Wahyuningsih, M. Si
NIP. 19711211 199702 2 001
Prof. Ir. Ari H. Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D
NIP. 19610223 198601 1 001
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :
Hari
: Selasa
Tanggal
: 7 Juni 2016
Anggota Tim Penguji :
1. Prof. Dra. Neng Sri Suharty, M.S., Ph.D
NIP. 19490816 198103 2 001
1. …………………………...
2. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si
NIP. 19740419 200003 2 001
2. …………………………...
Disahkan oleh
Kepala Prodi Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si
NIP. 19730124 199903 2 001
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “KINERJA
SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n
JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN
CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)” adalah benarbenar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk
memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan
saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan
oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan
dalam daftar pustaka.
Surakarta, Juli 2016
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
iii
KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2
NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI
HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas
Maret, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian mengenai kenerja Solid State Dye Sensitized Solar Cell
(SSDSSC) berbasis pn junction dengan TiO2 nanorods sebagai fotoanoda dan
CuSCN sebagai hole transport material (HTM). TiO2 nanorods disintesis dengan
tahapan mekanikakimia ball milling pada kecepatan 1000 rpm selama 5 jam dan
hidrotermal perlakuan basa kuat NaOH 12 M pada suhu 150 oC selama 24 jam
dengan variasi kalsinasi pada suhu 400, 500, dan 600 oC. Sintesis CuSCN
membutuhkan kation Cu(I) sebagai ion Cu yang dihasilkan dari pembentukan
kompleks ion Cu(II) dengan Na2S2O3 dan anion KSCN sebagai sumber ion
tiosianat. CuSCN disintesis dengan variasi konsentrasi prekursor CuSO4.5H2O,
Na2S2O3, dan KSCN. CuSCN berperan dalam regenerasi elektron-hole sebagai
hole transport material (HTM) dengan mekanisme hopping pada SSDSSC.
Material dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscope (SEM), dan Transmission Electron Microscope (TEM). Perlakuan
mekanikakimia ball milling menunjukkan adanya transormasi fase TiO2 dari
anatase menjadi brookite, sedangkan proses hidrotermal menunjukkan adanya
fase anatase, brookite, dan rutile pada suhu kalsinasi 400 oC. Pada suhu kalsinasi
500 dan 600 oC terdiri dari dua fase brookite dan rutile. Perubahan transformasi
TiO2 ke bentuk nanorods ditunjukkan oleh bentuk batang-batang oleh mikrograf
TEM dan meningkatkan luas permukaan material TiO 2 menjadi 111, 859 m2/g.
Celah pita CuSCN yang dihasilkan yaitu 3,4- 4,68 eV dan serapan absorbansi pada
daerah UV 200-300 nm yang mengindikasikan bahwa CuSCN bersifat transparan.
Nilai konduktivitas optimum yaitu 1,27 x 10-4 S.m-1 yang dihasilkan oleh CuSCN
A. CuSCN sebagai HTM dan rekayasa struktur fotoanoda TiO2 nanorods mampu
memberikan efisiensi dengan hasil optimum pada penggunaan CuSCN A sebesar
0,097%.
Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, hole transport material (HTM), SSDSSC
iv
PERFORMANCE OF SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELLS
(SSDSSC) BASED ON pn JUNCTION WITH TiO2 NANORODS AS
PHOTOANODE AND CuSCN AS HOLE TRANSPORT MATERIAL
(HTM)
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
Departement of Chemsitry, Mathematics and Natural Science Faculty, Sebelas
Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126
ABSTRACT
Performance of Solid State Dye Sensitized Solar Cells (SSDSSC) based on pn
jucntion with TiO2 nanorods as photoanode and CuSCN as hole transport material
(HTM) have been studied. Synthesis of nanorods TiO2 was conducted through
mechanochemical of ball milling at speed of 1000 rpm for 5 hours and strong base
NaOH 12 M reaction by hydrothermal at 150 oC overnight on variation calcination at
400, 500, and 600 oC. Synthesis of CuSCN requires the Cu(I) cations as a copper
ions source which is obtained by complexing Cu(II) ions using Na2S2O3. The anion
source KSCN as thiocyanate ions. CuSCN was synthesized on variation
concentration of CuSO4.5H2O, Na2S2O3, and KSCN precursors. Material
characterization were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscope (SEM), and Transmission Electron Microscope (TEM).
Mechanochemical treatment by ball milling showed phase transformation of TiO2
from anatase to brookite, while strong base reaction by hydrothermal showed the
presence of anatase, brookite, and rutile phase for calcination up to 400 oC. The
diffraction pattern of calcination at 500 and 600 oC contains peaks of both brookite
and rutile phase. Morphology transformation of TiO2 to form nanorods TiO2 was
showed by rod-shaped from TEM micrographs and increase surface area into
111,859 m2/g. CuSCN bandgap was obtained 3,4-4.68 eV and absorption in the UV
absorbance of 200-300 nm indicating that was formed transparent CuSCN. The
optimum conductivity value of 1.27 x 10-4 S.m-1 produced by CuSCN A. CuSCN
as HTM and engineering structure of TiO2 nanorods as photoanode able to provide
optimum efficiency of SSDSSC up to 0.097%.
Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, holetransport material (HTM), SSDSSC
v
MOTTO
“Ilmu itu tidaklah didapatkan dengan jasad yang santai (HR.Muslim). Maka
bersabarlah dalam menuntut ilmu. Karena sesungguhnya bersama kesulitan ada
kemudahan (Q.S. Al-Insyirah: η)”
vi
PERSEMBAHAN
Karya ini kupersembahkan untuk :
1. Kedua orang tua bapak dan ibu
2. Adik-adikku
3. Rekan penelitian “Rombongan 2012”
4. Teman - teman jurusan kimia angkatan 2012
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan
rahmat, karunia, dan ijin-Nya sehingga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini
untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.
Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan
dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan
ucapan terima kasih kepada :
1. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1
2. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc. (Hons), P.hD selaku
Pembimbing 2
3. Ibu Dr. Triana Kusumangsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia
FMIPA UNS
4. Ibu Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku Pembimbing Akademis
5. Ibu Dr. Khoirina Dwi N., M.Si selaku ketua Laboratorium Kimia FMIPA
UNS.
6. Bapak dan Ibu dosen Kimia FMIPA UNS
7. Semua pihak yang telah membantu.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu
penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang
lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan
memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin
Surakarta, Juli 2016
Liya Nikmatul Maula Zulfa Saputri
viii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL......................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................
ii
HALAMAN PERNYATAAN .......................................................................
iii
HALAMAN ABSTRAK ................................................................................
iv
HALAMAN ABSTRACT .............................................................................
v
HALAMAN MOTTO ....................................................................................
vi
PERSEMBAHAN ..........................................................................................
vii
KATA PENGANTAR ...................................................................................
viii
DAFTAR ISI ..................................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR .....................................................................................
xi
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
xiii
DAFTAR SIMBOL........................................................................................
xiv
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN ..............................................................................
1
A. Latar Belakang ..............................................................................
1
B. Perumusan Masalah .......................................................................
7
C. Tujuan Penelitian ...........................................................................
7
D. Manfaat Penelitian.........................................................................
7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA....................................................................
8
A.Tinjauan Pustaka ............................................................................
8
1. Semikonduktor tipe-n, tipe-p, dan pn junction ..........................
8
2. Solid state dye sensitized solar cell (SSDSSC) .........................
10
4. Komponen SSDSSC ..................................................................
13
5. Semikonduktor Tipe-p CuSCN sebagai HTM pada SSDSSC .
15
6. Semikonduktor Tipe-n TiO2 sebagai fotoanoda pada SSDSSC
17
7. Analisis Instrumen .....................................................................
22
B. Kerangka Pemikiran ......................................................................
31
C. Hipotesis ........................................................................................
33
ix
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.......................................................
34
A. Metodologi Penelitian ..................................................................
34
B. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................
34
C. Bahan dan Alat .............................................................................
35
1. Alat .........................................................................................
35
2. Bahan ......................................................................................
35
D. Prosedur Penelitian .......................................................................
36
1. Sintesis CuSCN ......................................................................
36
2. Sintesis TiO2 nanorods...........................................................
36
3. Pembentukan senyawa kompleks sebagai dye .......................
37
4. Fabrikasi DSSC ......................................................................
37
5. Teknik Pengumpulan Data ....................................................
39
6. Analisis Data .........................................................................
39
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ...............................
42
A. Sintesis CuSCN ............................................................................
41
B. Sintesis TiO2 nanorods.................................................................
47
C. Uji Performa SSDSSC .................................................................
54
BAB V PENUTUP .........................................................................................
58
A. Kesimpulan ...................................................................................
58
B. Saran .............................................................................................
58
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................
59
LAMPIRAN ...................................................................................................
68
x
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.
Ilustrasi level energi elektron pada semikonduktor
ekstrinsik (a)semikonduktor tipe-n (b) semikonduktor
tipe-p. ECB, EVB, Eg, EF menunjukkan energi pita
konduksi, pita valensi, celah pita, dan Fermi ................
Gambar 2.
9
Diagram pita energi pn juction pada kesetimbangan
termal. Ec, EF, Ei, Ev menunjukkan energi pita konduksi,
fermi, instrinsik, dan valensi .........................................
10
Gambar 3.
Proses elektronik pada SSDSSC ...................................
12
Gambar 4.
Contoh nilai celah pita CuSCN .....................................
16
Gambar 5.
Struktur Kristal TiO2 (a) anatase (b) rutile (c) brookite
18
Gambar 6.
Ilustrasi pergerakan elektron (a) TiO2 nanopartikel (b)
TiO2 1 dimensi ...............................................................
Gambar 7.
Gambar 8.
19
Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu
kalsinasi 400 hingga 800 °C ..........................................
21
Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu
22
kalsinasi 400 hingga 1000 °C ........................................
Gambar 9.
Contoh pola difraktogram TiO2 ball milling pada
24
variasi kecepatan 400, 500, 600 rpm hasil Rietvield
refinement ......................................................................
Gambar 10.
Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada
sampel............................................................................
25
Gambar 11.
Morfologi TEM material TiO2 ......................................
27
Gambar 12.
Spektrum UV-Vis kompleks Fe-polipiridil ...................
29
Gambar 13.
Penentuan celah pita energi CuSCN .............................
29
Gambar 14.
Skema ilustrasi lapis tipis TiO2 .....................................
38
Gambar 15.
Pola difraktogram X-Ray (a) standar JCPDS α & β
CuSCN (b) CuSCN A (c) CuSCN B (d) CuSCN C ......
xi
42
Gambar 16.
Pola difraktogram hasil proses Rietvield refinement
44
CuSCN ..........................................................................
Gambar 17.
Morfologi SEM CuSCN A, B, dan C ............................
Gambar 18.
Spektra absorbansi (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)
CuSCN C .......................................................................
Gambar 19.
46
Spektra konduktivitas (—) CuSCN A (—) CuSCN B
(—) CuSCN C................................................................
Gambar 21.
45
Nilai celah pita (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)
CuSCN C .......................................................................
Gambar 20.
44
47
Pola difraktogram X-Ray (a) Standar JCPDS No. 762486 fase brookite (b) Standar JCPDS No. 76-1934
fase anatase (c) TiO2 teknis (d) TiO2 hasil milling.
A=anatase, B=brookite.
48
Gambar 22.
Skema mekanisme reaksi pembentukan TiO2 ...............
50
Gambar 23.
Pola difraktogram X-Ray TiO2 hasil hidrotermal
dengan variasi kalsinasi (a) 400, (b) 500, dan (c) 600
°C. A: anatase, B: brookite, R: rutile............................
Gambar 24.
Morfologi TEM pada TiO2 nanorods diperoleh dari
proses hidrotermal dan kalsinasi 600 °C. ......................
Gambar 25.
50
53
(a) Spektra UV-Vis (—)TiO2 (—) TiO2 dye (—) TiO2
tersensitasi dye (b) Ilustrasi TiO2 tersensitasi dye
54
kompleks Fe(dcbq)(bpy) ...............................................
Gambar 26.
Kurva arus-tegangan SSDSSC pada CuSCN A ............
xii
55
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1.
Persentase fase TiO2 proses milling .....................................
Tabel 2.
Konsentrasi masing-masing prekursor dalam pembentukan
CuSCN .................................................................................
Tabel 3.
24
36
Hasil proses Rietvield Refinement CuSCN. Rwp = R-bobot
pola difraksi, Rp = R-reabilitas, dan GOF = goodnes-of-fit..
43
Tabel 4.
Persentase fase CuSCN A, B, dan C ....................................
43
Tabel 5.
Ukuran kristal CuSCN A, B, dan C .....................................
44
Tabel 6.
Ukuran kristal TiO2 teknis dan hasil proses milling ............
48
Tabel 7.
Ukuran kristal TiO2 pada variasi suhu kalsinasi ..................
52
Tabel 8.
Persentase fase TiO2 pada variasi suhu kalsinasi .................
52
Tabel 9.
Luas permukaan TiO2 hasil proses milling dan nanorods
53
Tabel 10.
Karakteristik kinerja SSDSSC .............................................
56
xiii
DAFTAR SIMBOL
�
luas penampang material
A
konstanta celah pita
�
intensitas tertinggi fase anatase
�
��
intensitas tertinggi fase rutile
B
lebar dari setengah puncak difraksi maksimum
�
ukuran kristal
Eg
celah pita
h
konstanta Plack
intensitas tertinggi fase brookite
efisiensi
Ipp
arus maksimum
Isc
arus pendek yang terukur
k
konstanta proporsionalitas
koefisien anatase
koefisien brookite
tebal pellet
λ
panjang gelombang
Pin
sumber sinar yang diberikan
�
massa jenis
sudut Bragg
�
resistivitas
�
Voc
voltase rangkaian terbuka yang terukur
Vpp
voltase maksimum
ν
kecepatan cahaya
�
persentase fase anatase
��
persentase fase rutile
�
konduktivitas
persentase fase brookite
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1.
Standar JCPDS TiO2....................................................
68
Lampiran 2.
Perhitungan ukuran kristal ...........................................
70
Lampiran 3.
Perhitungan persentase fase TiO2 ................................
74
Lampiran 4.
Nilai konduktivitas CuSCN .........................................
75
Lampiran 5.
Perhitungan efisiensi SSDSSC ....................................
76
xv
(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2
NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI
HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)
Disusun oleh :
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
M0312038
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan
mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Juli, 2016
i
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi
KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2
NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI
HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
NIM. M0312038
Skripsi ini dibimbing oleh :
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Sayekti Wahyuningsih, M. Si
NIP. 19711211 199702 2 001
Prof. Ir. Ari H. Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D
NIP. 19610223 198601 1 001
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :
Hari
: Selasa
Tanggal
: 7 Juni 2016
Anggota Tim Penguji :
1. Prof. Dra. Neng Sri Suharty, M.S., Ph.D
NIP. 19490816 198103 2 001
1. …………………………...
2. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si
NIP. 19740419 200003 2 001
2. …………………………...
Disahkan oleh
Kepala Prodi Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si
NIP. 19730124 199903 2 001
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “KINERJA
SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n
JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN
CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)” adalah benarbenar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk
memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan
saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan
oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan
dalam daftar pustaka.
Surakarta, Juli 2016
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
iii
KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2
NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI
HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas
Maret, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian mengenai kenerja Solid State Dye Sensitized Solar Cell
(SSDSSC) berbasis pn junction dengan TiO2 nanorods sebagai fotoanoda dan
CuSCN sebagai hole transport material (HTM). TiO2 nanorods disintesis dengan
tahapan mekanikakimia ball milling pada kecepatan 1000 rpm selama 5 jam dan
hidrotermal perlakuan basa kuat NaOH 12 M pada suhu 150 oC selama 24 jam
dengan variasi kalsinasi pada suhu 400, 500, dan 600 oC. Sintesis CuSCN
membutuhkan kation Cu(I) sebagai ion Cu yang dihasilkan dari pembentukan
kompleks ion Cu(II) dengan Na2S2O3 dan anion KSCN sebagai sumber ion
tiosianat. CuSCN disintesis dengan variasi konsentrasi prekursor CuSO4.5H2O,
Na2S2O3, dan KSCN. CuSCN berperan dalam regenerasi elektron-hole sebagai
hole transport material (HTM) dengan mekanisme hopping pada SSDSSC.
Material dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscope (SEM), dan Transmission Electron Microscope (TEM). Perlakuan
mekanikakimia ball milling menunjukkan adanya transormasi fase TiO2 dari
anatase menjadi brookite, sedangkan proses hidrotermal menunjukkan adanya
fase anatase, brookite, dan rutile pada suhu kalsinasi 400 oC. Pada suhu kalsinasi
500 dan 600 oC terdiri dari dua fase brookite dan rutile. Perubahan transformasi
TiO2 ke bentuk nanorods ditunjukkan oleh bentuk batang-batang oleh mikrograf
TEM dan meningkatkan luas permukaan material TiO 2 menjadi 111, 859 m2/g.
Celah pita CuSCN yang dihasilkan yaitu 3,4- 4,68 eV dan serapan absorbansi pada
daerah UV 200-300 nm yang mengindikasikan bahwa CuSCN bersifat transparan.
Nilai konduktivitas optimum yaitu 1,27 x 10-4 S.m-1 yang dihasilkan oleh CuSCN
A. CuSCN sebagai HTM dan rekayasa struktur fotoanoda TiO2 nanorods mampu
memberikan efisiensi dengan hasil optimum pada penggunaan CuSCN A sebesar
0,097%.
Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, hole transport material (HTM), SSDSSC
iv
PERFORMANCE OF SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELLS
(SSDSSC) BASED ON pn JUNCTION WITH TiO2 NANORODS AS
PHOTOANODE AND CuSCN AS HOLE TRANSPORT MATERIAL
(HTM)
LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI
Departement of Chemsitry, Mathematics and Natural Science Faculty, Sebelas
Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126
ABSTRACT
Performance of Solid State Dye Sensitized Solar Cells (SSDSSC) based on pn
jucntion with TiO2 nanorods as photoanode and CuSCN as hole transport material
(HTM) have been studied. Synthesis of nanorods TiO2 was conducted through
mechanochemical of ball milling at speed of 1000 rpm for 5 hours and strong base
NaOH 12 M reaction by hydrothermal at 150 oC overnight on variation calcination at
400, 500, and 600 oC. Synthesis of CuSCN requires the Cu(I) cations as a copper
ions source which is obtained by complexing Cu(II) ions using Na2S2O3. The anion
source KSCN as thiocyanate ions. CuSCN was synthesized on variation
concentration of CuSO4.5H2O, Na2S2O3, and KSCN precursors. Material
characterization were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscope (SEM), and Transmission Electron Microscope (TEM).
Mechanochemical treatment by ball milling showed phase transformation of TiO2
from anatase to brookite, while strong base reaction by hydrothermal showed the
presence of anatase, brookite, and rutile phase for calcination up to 400 oC. The
diffraction pattern of calcination at 500 and 600 oC contains peaks of both brookite
and rutile phase. Morphology transformation of TiO2 to form nanorods TiO2 was
showed by rod-shaped from TEM micrographs and increase surface area into
111,859 m2/g. CuSCN bandgap was obtained 3,4-4.68 eV and absorption in the UV
absorbance of 200-300 nm indicating that was formed transparent CuSCN. The
optimum conductivity value of 1.27 x 10-4 S.m-1 produced by CuSCN A. CuSCN
as HTM and engineering structure of TiO2 nanorods as photoanode able to provide
optimum efficiency of SSDSSC up to 0.097%.
Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, holetransport material (HTM), SSDSSC
v
MOTTO
“Ilmu itu tidaklah didapatkan dengan jasad yang santai (HR.Muslim). Maka
bersabarlah dalam menuntut ilmu. Karena sesungguhnya bersama kesulitan ada
kemudahan (Q.S. Al-Insyirah: η)”
vi
PERSEMBAHAN
Karya ini kupersembahkan untuk :
1. Kedua orang tua bapak dan ibu
2. Adik-adikku
3. Rekan penelitian “Rombongan 2012”
4. Teman - teman jurusan kimia angkatan 2012
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan
rahmat, karunia, dan ijin-Nya sehingga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini
untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.
Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan
dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan
ucapan terima kasih kepada :
1. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1
2. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc. (Hons), P.hD selaku
Pembimbing 2
3. Ibu Dr. Triana Kusumangsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia
FMIPA UNS
4. Ibu Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku Pembimbing Akademis
5. Ibu Dr. Khoirina Dwi N., M.Si selaku ketua Laboratorium Kimia FMIPA
UNS.
6. Bapak dan Ibu dosen Kimia FMIPA UNS
7. Semua pihak yang telah membantu.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu
penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang
lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan
memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin
Surakarta, Juli 2016
Liya Nikmatul Maula Zulfa Saputri
viii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL......................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................
ii
HALAMAN PERNYATAAN .......................................................................
iii
HALAMAN ABSTRAK ................................................................................
iv
HALAMAN ABSTRACT .............................................................................
v
HALAMAN MOTTO ....................................................................................
vi
PERSEMBAHAN ..........................................................................................
vii
KATA PENGANTAR ...................................................................................
viii
DAFTAR ISI ..................................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR .....................................................................................
xi
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
xiii
DAFTAR SIMBOL........................................................................................
xiv
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN ..............................................................................
1
A. Latar Belakang ..............................................................................
1
B. Perumusan Masalah .......................................................................
7
C. Tujuan Penelitian ...........................................................................
7
D. Manfaat Penelitian.........................................................................
7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA....................................................................
8
A.Tinjauan Pustaka ............................................................................
8
1. Semikonduktor tipe-n, tipe-p, dan pn junction ..........................
8
2. Solid state dye sensitized solar cell (SSDSSC) .........................
10
4. Komponen SSDSSC ..................................................................
13
5. Semikonduktor Tipe-p CuSCN sebagai HTM pada SSDSSC .
15
6. Semikonduktor Tipe-n TiO2 sebagai fotoanoda pada SSDSSC
17
7. Analisis Instrumen .....................................................................
22
B. Kerangka Pemikiran ......................................................................
31
C. Hipotesis ........................................................................................
33
ix
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.......................................................
34
A. Metodologi Penelitian ..................................................................
34
B. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................
34
C. Bahan dan Alat .............................................................................
35
1. Alat .........................................................................................
35
2. Bahan ......................................................................................
35
D. Prosedur Penelitian .......................................................................
36
1. Sintesis CuSCN ......................................................................
36
2. Sintesis TiO2 nanorods...........................................................
36
3. Pembentukan senyawa kompleks sebagai dye .......................
37
4. Fabrikasi DSSC ......................................................................
37
5. Teknik Pengumpulan Data ....................................................
39
6. Analisis Data .........................................................................
39
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ...............................
42
A. Sintesis CuSCN ............................................................................
41
B. Sintesis TiO2 nanorods.................................................................
47
C. Uji Performa SSDSSC .................................................................
54
BAB V PENUTUP .........................................................................................
58
A. Kesimpulan ...................................................................................
58
B. Saran .............................................................................................
58
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................
59
LAMPIRAN ...................................................................................................
68
x
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.
Ilustrasi level energi elektron pada semikonduktor
ekstrinsik (a)semikonduktor tipe-n (b) semikonduktor
tipe-p. ECB, EVB, Eg, EF menunjukkan energi pita
konduksi, pita valensi, celah pita, dan Fermi ................
Gambar 2.
9
Diagram pita energi pn juction pada kesetimbangan
termal. Ec, EF, Ei, Ev menunjukkan energi pita konduksi,
fermi, instrinsik, dan valensi .........................................
10
Gambar 3.
Proses elektronik pada SSDSSC ...................................
12
Gambar 4.
Contoh nilai celah pita CuSCN .....................................
16
Gambar 5.
Struktur Kristal TiO2 (a) anatase (b) rutile (c) brookite
18
Gambar 6.
Ilustrasi pergerakan elektron (a) TiO2 nanopartikel (b)
TiO2 1 dimensi ...............................................................
Gambar 7.
Gambar 8.
19
Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu
kalsinasi 400 hingga 800 °C ..........................................
21
Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu
22
kalsinasi 400 hingga 1000 °C ........................................
Gambar 9.
Contoh pola difraktogram TiO2 ball milling pada
24
variasi kecepatan 400, 500, 600 rpm hasil Rietvield
refinement ......................................................................
Gambar 10.
Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada
sampel............................................................................
25
Gambar 11.
Morfologi TEM material TiO2 ......................................
27
Gambar 12.
Spektrum UV-Vis kompleks Fe-polipiridil ...................
29
Gambar 13.
Penentuan celah pita energi CuSCN .............................
29
Gambar 14.
Skema ilustrasi lapis tipis TiO2 .....................................
38
Gambar 15.
Pola difraktogram X-Ray (a) standar JCPDS α & β
CuSCN (b) CuSCN A (c) CuSCN B (d) CuSCN C ......
xi
42
Gambar 16.
Pola difraktogram hasil proses Rietvield refinement
44
CuSCN ..........................................................................
Gambar 17.
Morfologi SEM CuSCN A, B, dan C ............................
Gambar 18.
Spektra absorbansi (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)
CuSCN C .......................................................................
Gambar 19.
46
Spektra konduktivitas (—) CuSCN A (—) CuSCN B
(—) CuSCN C................................................................
Gambar 21.
45
Nilai celah pita (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)
CuSCN C .......................................................................
Gambar 20.
44
47
Pola difraktogram X-Ray (a) Standar JCPDS No. 762486 fase brookite (b) Standar JCPDS No. 76-1934
fase anatase (c) TiO2 teknis (d) TiO2 hasil milling.
A=anatase, B=brookite.
48
Gambar 22.
Skema mekanisme reaksi pembentukan TiO2 ...............
50
Gambar 23.
Pola difraktogram X-Ray TiO2 hasil hidrotermal
dengan variasi kalsinasi (a) 400, (b) 500, dan (c) 600
°C. A: anatase, B: brookite, R: rutile............................
Gambar 24.
Morfologi TEM pada TiO2 nanorods diperoleh dari
proses hidrotermal dan kalsinasi 600 °C. ......................
Gambar 25.
50
53
(a) Spektra UV-Vis (—)TiO2 (—) TiO2 dye (—) TiO2
tersensitasi dye (b) Ilustrasi TiO2 tersensitasi dye
54
kompleks Fe(dcbq)(bpy) ...............................................
Gambar 26.
Kurva arus-tegangan SSDSSC pada CuSCN A ............
xii
55
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1.
Persentase fase TiO2 proses milling .....................................
Tabel 2.
Konsentrasi masing-masing prekursor dalam pembentukan
CuSCN .................................................................................
Tabel 3.
24
36
Hasil proses Rietvield Refinement CuSCN. Rwp = R-bobot
pola difraksi, Rp = R-reabilitas, dan GOF = goodnes-of-fit..
43
Tabel 4.
Persentase fase CuSCN A, B, dan C ....................................
43
Tabel 5.
Ukuran kristal CuSCN A, B, dan C .....................................
44
Tabel 6.
Ukuran kristal TiO2 teknis dan hasil proses milling ............
48
Tabel 7.
Ukuran kristal TiO2 pada variasi suhu kalsinasi ..................
52
Tabel 8.
Persentase fase TiO2 pada variasi suhu kalsinasi .................
52
Tabel 9.
Luas permukaan TiO2 hasil proses milling dan nanorods
53
Tabel 10.
Karakteristik kinerja SSDSSC .............................................
56
xiii
DAFTAR SIMBOL
�
luas penampang material
A
konstanta celah pita
�
intensitas tertinggi fase anatase
�
��
intensitas tertinggi fase rutile
B
lebar dari setengah puncak difraksi maksimum
�
ukuran kristal
Eg
celah pita
h
konstanta Plack
intensitas tertinggi fase brookite
efisiensi
Ipp
arus maksimum
Isc
arus pendek yang terukur
k
konstanta proporsionalitas
koefisien anatase
koefisien brookite
tebal pellet
λ
panjang gelombang
Pin
sumber sinar yang diberikan
�
massa jenis
sudut Bragg
�
resistivitas
�
Voc
voltase rangkaian terbuka yang terukur
Vpp
voltase maksimum
ν
kecepatan cahaya
�
persentase fase anatase
��
persentase fase rutile
�
konduktivitas
persentase fase brookite
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1.
Standar JCPDS TiO2....................................................
68
Lampiran 2.
Perhitungan ukuran kristal ...........................................
70
Lampiran 3.
Perhitungan persentase fase TiO2 ................................
74
Lampiran 4.
Nilai konduktivitas CuSCN .........................................
75
Lampiran 5.
Perhitungan efisiensi SSDSSC ....................................
76
xv