PENYISIPAN LOGAM Cu PADA TiO2 SEBAGAI ELEKTRODA KERJA DALAM KINERJA SEL SURYA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

  PENYISIPAN LOGAM Cu PADA TiO

  

2

SEBAGAI ELEKTRODA KERJA

DALAM KINERJA SEL SURYA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

  

TESIS

Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister

Program Studi Ilmu Fisika

  

Oleh

Wilfrida Mayasti Obina

S911508015

PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

  

2018

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur dipanjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat, rahmat dan perlindungan-NYA, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang

  

2

  berjudul Sebagai Elektroda Kerja Dalam Kinerja “Penyisipan Logam Cu Pada TiO

  Sel Surya Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)

  ”. Tujuan penyusunan tesis yaitu memenuhi sebagian persyaratan guna memperoleh gelar Magister pada Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  Ucapan ‘Terima Kasih” diucapkan dalam kesempatan ini karena tanpa bantuan dari berbagai pihak, tesis ini tidak dapat terwujud. Diantaranya:

  1. Bapak Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd, selaku Direktur Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  2. Bapak Prof. Drs. Cari, M.A., M.Sc., Ph.D, selaku Kepala Program Studi S2 Ilmu Fisika dan selaku pembimbing II yang selalu sabar membimbing, memotivasi, memberi semangat dan meluangkan waktu mengajari penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.

  3. Bapak Dr. Agus Supriyanto, M.Si selaku pembimbing I yang selalu sabar membimbing, memotivasi, memberi semangat dan meluangkan waktu mengajari penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.

  4. Bapak/Ibu Dosen Program Studi S2 Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan pendidikan dan pengajaran dalam Ilmu Fisika.

  5. Hibah penelitian pascasarjana yang telah mendanai penelitian melalui program hibah pascasarjana Universitas Sebelas Maret (PPS-UNS) dengan nomor kontrak 623/UN27.21/PP/2017 6. Kedua orang tua, oma Din dan adik-adik tersayang yang selalu sabar memberikan dukungan terutama doa, kasih sayang, motivasi, finansial, nasehat dan kepercayaan kepada penulis dalam menyelesaikan pendidikan hingga tingkat pascasarjana serta semua keluarga tercinta dan ka Obhy yang selalu mendukung dengan caranya masing-masing.

  7. Rekan-rekan Magister Ilmu Fisika angkatan 2015 yang memberikan semangat, saling membantu satu sama lain dan yang telah membantu dengan caranya masing-masing sejak dari perkuliahan hingga selesainya penulisan tesis ini.

  8. Teman-teman Laboratorium Fisika Material Universitas sebelas Maret, teman-teman tim riset Prof. Cari dan Pak Agus khususnya buat mbak Asih, mas Yuda, Azizah, mas Fadli, mas Bayu dan sahabat-sahabat semuanya, terimakasih atas saran dan bantuan serta dukungan dari kalian semua.

  9. Teman-teman seperantauan Nathalia, Osri, Mba Asih, Beta, Yuli, Mba Novita, Mba Linda dan Fernin yang selalu menemani, memberikan masukan dan membantu dalam penelitian hingga menyelesaikan tesis ini.

  10. Teman-teman kos kusumasari khususnya nona Lita, de Savitri Primastuti, de Tias, de Nurul juga teman-teman yang tak dapat saya sebutkan satu persatu yang selalu menemani, menyemangati dan membantu dengan caranya masing-masing hingga terselesaikannya tesis ini.

  11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu penulis dalam proses penyusunan tesis ini.

  Penulis menyadari bahwa dalam tesis ini masih terdapat kekurangan dan kesalahan, hal ini dikarenakan kemampuan penulis yang sangat terbatas. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun sebagai acuan tahapan penulisan selanjutnya. Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Amin.

  Surakarta, Maret 2018 Penulis

  HALAMAN PERSEMBAHAN dan MOTTO

Karya tulis berupa Tesis ini saya Persembahkan kepada:

Bapak Paskalis, Mama Ermina dan Oma Din tersayang

  

Adik Yohanes (Alm.), Rian, Reni, Riski tersayang

yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan secara penuh.

  

”Iman tanpa perbuatan kasih adalah mati”

Apa yang di-Imani hendaknya diamalkan dalam kehidupan sehari-

hari bagi sesama manusia

  “Mintalah, maka akan diberikan kepadamu; carilah, maka kamu akan mendapat; ketoklah, maka pintu akan dibukakan bagimu. Karena setiap orang yang meminta, menerima dan setiap orang yang mencari, mendapat dan setiap orang yang mengetok, baginya pin tu dibukakan”

  

(Mat, 7:7-8)

”Doa dan Usaha hendaknya selalu seimbang”.

2 Penyisipan Logam Cu Pada TiO Sebagai Elektroda Kerja Dalam Kinerja Sel

  

Surya Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)

  Wilfrida Mayasti Obina Program Studi Ilmu Fisika, Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  

ABSTRAK

Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah perangkat sel surya yang mampu

  mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik dengan memanfaatkan pewarna alami dalam menyerap foton. Komponen DSSC terdiri dari dye, elektroda kerja, elektrolit dan elektroda lawan yang dideposisikan pada substrat konduktif. Elektroda kerja dalam penelitian ini yaitu Titanium dioksida (TiO

  2 ) yang disisipi logam Cu dan direndam dalam

dye . Tujuan dari penelitian yaitu memperoleh informasi kinerja DSSC dari elektroda

  kerja dalam penyisipan logam Cu pada TiO

  2 melalui pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2

  dan metode elektroplating. Nanokomposit merupakan proses pencampuran bahan atau material berbeda yang berukuran nano. Metode elektroplating merupakan metode pelapisan logam dengan bantuan arus listrik pada benda padat yang konduktif. Variasi

  2

  yang dilakukan dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO yaitu variasi perbandingan massa TiO

  2 dan logam Cu serta dilakukan variasi waktu elektroplating logam Cu pada

  TiO

  2 . Pewarna alami yang digunakan yaitu ekstrak daun Moringa oleifera. Elektrode

  kerja berupa logam Cu yang disisipkan pada TiO

  2 . Elektrolit yang digunakan yaitu NAI dan elektroda lawan yaitu Pt.

  Tujuan dari penelitian dapat diperoleh dari hasil karakterisasi berupa spektrum absorbansi, konduktivitas, SEM, XRD dan arus-tegangan (I-V). Hasil yang diperoleh dari karakterisasi spektrum absorbansi yang memiliki absorbansi tertinggi pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2 yaitu perbandingan 8:3 (TiO 2 :Cu) dan melalui metode

  elektroplating yaitu pada waktu penyisipan 25 s. Hasil uji konduktivitas yang memiliki

  2

  konduktivitas tertinggi pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO yaitu perbandingan 8:3

  −1 −1

  sebesar 5,14 . Hasil XRD menunjukkan bahwa terdapat penyisipan logam Cu Ω

  2

  pada TiO melalui kedua metode dengan munculnya fase rutil dan pola difraksi Cu. Hasil karakterisasi I-V diperoleh efisiensi tertinggi pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2

  yaitu perbandingan 8:3 (TiO

  2 :Cu) sebesar0,048% dan melalui metode elektroplating yaitu pada waktu penyisipan 25 s sebesar 0,090%.

  Kata kunci: Dye-Sensitized Solar Cell, logam Cu, TiO

  2 , nanokomposit Cu/TiO 2 , elektroplating.

2 Copper Insertion On TiO As Photoelectrode In Solar Cell Performance of Dye-

  

Sensitized Solar Cell (DSSC)

  Wilfrida Mayasti Obina Physics Department, Graduate Program, Sebelas Maret University, Surakarta.

  

ABSTRACT

  Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) is a solar cell device capable of converting solar energy into electrical energy by utilizing natural dyes in absorbing photons. Components of the DSSC are dye, photoelectrode, electrolyte and counter electrode deposition on a

  2

  conductive substrate. Photoelectrode in this research is Titanium dioxide (TiO ) which inserted copper and soaked in dye. The purpose of research is to obtain DSSC performance from photoelectrode in the insertion of copper on TiO

  2 by making Cu/TiO

  2

  nanocomposite and the electroplating method. The nanocomposite is the process of mixing different materials or materials that are nano-sized. Electroplating method is a method of metal coating with the help of electric current in the conductive solid object. Variations in the manufacture of Cu/TiO

  2 nanocomposite are the variation of the mass

  ratio of TiO

  2 : copper and variations of electroplating method are electroplating time of

  copper on TiO

  2 . Natural dyes used are Moringa oleifera leaf extract. The photoelectrode

  is copper inserted on TiO 2 . The electrolyte used is NAI and the counter electrode is Pt.

  The purpose of the research can be obtained from the results of the characterization of absorbance spectrum, conductivity, SEM, XRD and voltage-current (I-V). The results obtained from the absorbance characterization which has the highest absorbance on the manufacture of Cu/TiO

  

2 nanocomposite is the ratio of 8: 3 (TiO

2 : Cu) and through the

  electroplating method is at insertion time 25 s. The result of conductivity characterization

  2

  which has the highest conductivity in making Cu/TiO nanocomposite is the ratio of 8: 3

  −1 −1

  2

  equal to 5.14 . The XRD results show that there is the insertion of copper on TiO Ω through both methods with the appearance of rutile phase and copper diffraction pattern.

  The result of I-V characterization obtained the highest efficiency in making Cu/TiO

  2

  nanocomposite that is the ratio of 8: 3 (TiO

  2 : Cu) equal to 0,048% and by electroplating method that is at time of insertion 25 s equal to 0,090%.

  Keywords: Dye-Sensitized Solar Cell, copper, TiO

  2 , Cu/TiO 2 nanocomposite, electroplating.

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL ..................................................................................................... i PENGESAHAN PEMBIMBING TESIS ..................................................................... ii PENGESAHAN PENGUJI TESIS .............................................................................. iii PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI ....................... iv KATA PENGANTAR .................................................................................................. v HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO ........................................................ vii ABSTRAK ................................................................................................................ viii

  

ABSTRACT .................................................................................................................. ix

  DAFTAR ISI ................................................................................................................ x DAFTAR TABEL .................................................................................................... xiv DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. xv DAFTAR SIMBOL .................................................................................................. xvii DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................... xviii

  BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang .................................................................................................... 1 B. Rumusan Masalah .............................................................................................. 3 C. Tujuan Penelitian................................................................................ ................ 3 D. Batasan Penelitian.............................................................................. ................ 4 E. Manfaat Penelitian.............................................................................. ................ 4 BAB II LANDASAN TEORI A. Tinjauan Pustaka ................................................................................................ 6

  1. Energi Matahari ............................................................................... ............... . 6

  2. Sel Surya .......................................... ................................................................ 7

  3. Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) .......................................... ........................ 8

  a. DSSC Secara Umum ................................................................................... 8

  b. Prinsip Kerja DSSC ...................................................................................... 8

  c. Material Penyusun DSSC ........................................................................... 12 1)

  Substrat ................................................................................................ 12 2)

  Elektroda kerja ...................................................................................... 12

  2

  a) .................................................................. 12 Titanium Dioksida (TiO

  b) Logam tembaga ................................................................................ 13

  2

  .......................... ............................. 32

  d. Variasi perbandingan massa TiO

  2 dengan Cu dalam pebuatan

  nanokomposit Cu/TiO

  2 .......................... ..................................................... 32 1.

  Pembuatan elektroda kerja berupa penyisipan Cu dalam lapisan TiO

  melalui metode elektroplating dengan variasi waktu penyisipan................... .. 33

  c. Variasi lapisan nanokomposit Cu/TiO

  a. Pembuatan pasta TiO

  2 dan lapisan TiO 2 ................................................. ...... 33

  b. Metode elektroplating ......... ......................................................................... 34

  4. Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) .................................... 34

  5. Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) ........................................................ 35

  6. Pembuatan Elektrolit ...................................................................................... 35

  7. Deposisi Elektroda Lawan.............................................................................. 35

  2

  2 ...................................................... ....... 31

  3) Elektrolit ............................................................................................... 14

  Hipotesis ........................................................................................................... 25

  4) Elektroda lawan .................................................................................... 15

  5) Pewarna alami (dye) sebagai sensitizer ................................................. 15

  d. Performa dari DSSC ................................................................................... 18

  4. Nanokomposit dan Metode Elektroplating ..................................................... 19

  5. Karakteristik Absorbansi ................................................................................. 20

  6. Konduktivitas listrik ........................................................................................ 22 B.

  Penelitian yang Relevan ..................................................... ............................. 23 C. Kerangka Berpikir ............................................................................... ........ ….24 D.

  BAB III METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................................... 27 B. Alat dan Bahan ...................................................................... .......................... 27 C. Tatalaksana Penelitian ...................................................................................... 28

  b. Pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  1. Persiapan alat dan bahan penelitian ....................................................... ........ 29

  2. Pembuatan elektroda kerja berupa peyisipan Cu dalam TiO

  2 melalui

  pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2

  ................................................................... 30

  a. Ekstrak dye ........................................................................... ........................ 30

  8. Fabrikasi DSSC .............................................................................................. 36

  9. Pengujian Karakteristik I-V DSSC ................................................................. 36

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A.

  2 Melalui Pembuatan Nanokomposit Cu/TiO

  2 Penyisipan Cu dalam TiO

  2

  pada Variasi Perbandingan Massa TiO dan Cu ........................................... 38

  dan Spektrum absorbansi dari dye Moringa oleifera, Cu, TiO nanokomposit Cu/TiO

  2 1.

  2 dengan variasi perbandingan massa TiO 2 dan

  Cu ................................................................................................................... 38

  a. Spektrum absorbansi dari dye Moringa oleifera ........................................ 38

  b. Spektrum absorbansi dari Cu, TiO

  2 , nanokomposit Cu/TiO

  2

  dan Cu/TiO

  2 /Dye....... ................................................................................. 40

  c. Spektrum absorbansi dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2 ................................................. 42 2.

  2 dan

  Nilai konduktivitas dari dye Moringa oleifera, Cu, TiO nanokomposit Cu/TiO

  2 dengan variasi perbandingan massa TiO 2 dan Cu.. .. 43

  dan Nilai konduktivitas dari dye Moringa oleifera, Cu, TiO nanokomposit Cu/TiO

  2 a.

  2 ...

  ….................................................................. 43

  b. Nilai konduktivitas dari variasi perbandingan massa TiO

  2 dan Cu

  2

  dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO .......................................... ...... 46 3. Karakterisasi X-Ray diffraction (XRD) dari variasi perbandingan massa

  TiO

  2 dan massa Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO 2 .......................47

  2

  4. Karakterisasi SEM untuk morfologi permukaan nanokomposit Cu/TiO ..... . 49

  5. Karakterisasi arus-tegangan (I-V) DSSC pada variasi lapisan nanokomposit Cu/TiO

  2 dan variasi perbandingan massa TiO 2 dan Cu .......... 51 a.

  Karakterisisai arus-tegangan (I-V) DSSC pada variasi lapisan

  2

  nanokomposit Cu/TiO …...….................................................................. 51 b.

  Karakterisisai arus-tegangan (I-V) DSSC pada variasi perbandingan massa TiO

  2 dan Cu ....................................................................................54

  2 B. Penyisipan Cu dalam TiO Melalui Metode Elektroplating........................ .... 55 1.

  2 Spektrum absorbansi dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO

  melalui metode elektroplating ........................................................................ 55

  Karakterisasi XRD dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO melalui metode elektroplating ........................................................................ 56

  2 2.

  2

  3. melalui metode elektroplating........... 57 Morfologi permukaan Cu dalam TiO 4.

  Karakterisasi I-V DSSC dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO2 melalui metode elektroplating ........................................................................ 59

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ................................................................................................ 62 B. Saran .......................................................................................................... 63

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 64

LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Spektrum Cahaya Tampak .......................................................................... 7Tabel 4.1. Konduktivitas TiO2, Cu, nanokomposit Cu/TiO

  2 dan dye .......................... 44

Tabel 4.2 Nilai konduktivitas dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu

  2

  dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO ................................................... 46

Tabel 4.3. Ukuran partikel dari variasi massa TiO2 : Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ................................................................................ 49Tabel 4.4. Parameter kisi pada variasi massa TiO2 : Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2 ................................................................................ 49

Tabel 4.5. Karakterisasi I-V DSSC dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2 ........... 52

  2 Tabel 4.6. Karakterisasi I-V DSSC dari variasi perbandingan massa TiO

  dan Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2 ....................................... 54

Tabel 4.7. Data kristolografi dari penyisipan Cu dalam TiO

  2 melalui

  metode elektroplating pada waktu penyisipan 25 s .................................... 57

  2 Tabel 4.8. Karakterisasi I-V DSSC dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO

  melalui metode elektroplating ...................................................................... 59

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Spektrum radiasi matahari .................................................................... 6Gambar 2.2. Prinsip kerja DSSC ............................................................................... 9Gambar 2.3. Waktu transfer elektron ........................................................................ 10Gambar 2.4. Level energi pada TiO

  2 nanopartikel DSSC ......................................... 11

Gambar 2.5. Penyusunan komponen dalam DSSC ................................................... 12Gambar 2.6. Struktur kimia dari klorofil ................................................................... 16Gambar 2.7. Spektrum absorbansi klorofil a dan klorofil b ..................................... 17Gambar 2.8. Daun Moringa oleifera ......................................................................... 17Gambar 2.9. Grafik hubungan arus tegangan (I-V) oleh DSSC ................................ 18

  2 Gambar 2.10. Proses penyisipan logam Cu pada TiO melalui

  metode elektroplating ........................................................................... 19

Gambar 2.11. Skema atenuasi berkas cahaya ............................................................ 20Gambar 3.1. Diagram alir penelitian ......................................................................... 29Gambar 3.2 Skema pengujian konduktivitas ............................................................. 30Gambar 3.3. Area deposisi sampel pada kaca FTO ................................................... 33Gambar 3.4. Struktur sandwich DSSC ...................................................................... 36Gambar 4.1. Kurva absorbansi Moringa oleifera ...................................................... 38Gambar 4.2. Spektrum absorbansi Cu, TiO

  2 , dan nanokomposit Cu/TiO 2 ............... 40

Gambar 4.3. Kurva spektrum absorbansi dari variasi perbandingan massa

  2 TiO dan Cu .......................................................................................... 42

Gambar 4.4. Kurva uji konduktivitas dari TiO

  2 dan nanokomposit

  Cu/TiO

  2 pada keadaan gelap dan keadaan terang ................................ 44

Gambar 4.5. Kurva uji konduktivitas dari dye dan Cu pada keadaan gelap dan keadaan terang ............................................................................... 45Gambar 4.6. Konduktivitas dari variasi perbandingan massa TiO

  2 dan Cu

  dalam pembuatan nanokoposit Cu/TiO

  2 ............................................... 46

  2 Gambar 4.7. Kurva XRD dari variasi massa TiO : Cu dalam pembuatan

  nanokomposit Cu/TiO

  2 ......................................................................... 48

Gambar 4.8. Morfologi nanokomposit Cu/TiO

  2 pada pembesaran (a) 50.000x

  dengan skala 0,5 dan (b) 80.000x dengan skala 0,2 ................ 50

Gambar 4.9. Morfologi penyisipan Cu dalam TiO

  2 oleh Saehana et al. ................... 50

Gambar 4.10 Kurva karakterisasi I-V DSSC dari TiO

  2 dan penyisipan Cu dalam

Gambar 4.16 Karakterisasi I-V DSSC dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO

  melalui metode elektroplating pada pembesaran: (a) 20.000x dan (b) 50.000x ............ 58

  2

Gambar 4.15 Morfologi penyisipan Cu dalam TiO

  elektroplating pada variasi penyisipan 25 s .......................................... 57

  2 melalui metode

Gambar 4.14 Kurva XRD dari penyisipan Cu dalam TiO

  25 s, 50 s dan 75 s ................................................................................ 55

  2 menggunakan metode elektroplating pada variasi penyisipan

  TiO

Gambar 4.13 Kurva spektrum absorbansi dari TiO

  2

  ............................... 54

  2

  dan Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO

  2

Gambar 4.12 Karakterisasi I-V DSSC dari variasi perbandingan massa TiO

  2 ................ 51

Gambar 4.11 Kurva karakteristik I-V DSSC dari nanokomposit Cu/TiO

  yang direndam dalam dye Moringa oleifera ................................................................. 51

  2

  dan TiO

  2 melalui metode elektroplating .......................................... 59

DAFTAR SIMBOL

  : tembaga : efisiensi : emas : rotasi per menit : perak : arus sort circuit : watt : tegangan open circuit : meter : arus maksimum : centimeter : tegangan maksimum : nanometer : daya maksimum : mikrometer : daya dari pencahayaan : part per milion : lamda : pikometer : resistivitas : mililiter : transmitansi : ampere

  ˚ : derajat : mili ampere : celcius : volt : fill factor : ohm

  : tetha Ω

  : sekon µ : koefisien atenuasi : air mass µ a : koefisien atenuasi atom : global µ l : koefisien atenuasi linier

  µ m : koefisien atenuasi massa : elektron volt

  I

  1 : intensitas cahaya

  mdpl : meter di atas permukaan laut transmisi : energi Fermi

  I : intensitas cahaya awal