FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC).
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN
Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister
Program Studi Teknik Mesin
Oleh:
Dharmanto
NIM. S951208003
MAGISTER TEKNIK MESIN
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
2014
commit to user
i
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ii
HALAMAN PENGESAHAN
FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN
Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun oleh:
Dharmanto
NIM. S951208003
Komisi
Pembimbing
Nama
Tanda Tangan
Tanggal
Pembimbing I
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 1974090222001121002
14 Agustus 2014
Pembimbing II
Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T.
NIP 197504111999031001
14 Agustus 2014
Telah dinyatakan memenuhi syarat
pada tanggal 14 Agustus 2014
Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin
Program Pascasarjana UNS
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 1974090222001121002
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
iii
FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN
Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun oleh:
Dharmanto
NIM. S951208003
Tim Penguji
Jabatan
Nama
Tanda Tangan
Tanggal
Ketua
Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D.
NIP 197007201999031001
14 Agustus 2014
Sekretaris
Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T.
NIP 197106151998021002
14 Agustus 2014
Anggota Penguji
Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T.
NIP 197504111999031001
14 Agustus 2014
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 1974090222001121002
14 Agustus 2014
Telah dipertahankan di depan penguji
dan dinyatakan telah memenuhi syarat
pada tanggal 14 Agustus 2014
Direktur Program Pascasarjana UNS
Ketua Program Studi
Magister Teknik Mesin
Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S.
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 196107171986011001
NIP 1974090222001121002
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
iv
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS
Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa :
1.
Tesis yang berjudul : “FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CODOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)” ini
adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya
ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk rnernperoleh gelar akademik
serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh
orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan
disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari
terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima
sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No 17,
tahun 2010)
2.
Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain
harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS
sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester
(enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari
sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS
berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi
Magister Teknik Mesin UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari
ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang
berlaku.
Surakarta, 14 Agustus 2014
Mahasiswa,
Dharmanto
S951208003
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
v
Dharmanto, NIM: S951208003, 2014. FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2
DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL
(DSSC). Komisi Pembimbing I: Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. Pembimbing II: Dr.
Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin.
Program Pascasarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk membuat hollow fibers TiO2 yang didoping Zn,
Fe, dan Zn-Fe yang digunakan untuk meningkatkan kinerja dari dye-sensitized solar
cell. Fabrikasi semikonduktor hollow fibers TiO2 dengan menggunakan teknik coaxial electrospinning, dengan larutan sheath menggunakan larutan titanium
isopropoxide sebagai sumber titanium dan olive oil sebagai larutan core. Sel surya
disusun dari kaca fluorine-doped tin oxide, iodine sebagai elektrolit, N719 sebagai
pewarna, dan platina sebagai counter electrode. Karakteristik semikonduktor TiO2
hollow fibers diuji dengan X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET),
scanning electron microscopy (SEM), dan ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis).
Pengujian sel surya dilakukan pada intensitas 1000 watt/m2. Hollow fibers TiO2 yang
didoping Zn, Fe, dan Zn-Fe telah berhasil dibuat dengan diameter ~160-330 nm dan
ukuran kristal ~8-11 nm. Diameter lubang yang besar diperoleh pada saat
pendopingan TiO2 dengan Zn, disusul pendopingan Fe, dan co-doping Zn-Fe.
Selanjutnya, pendopingan Zn, doping Fe, dan co-doping Zn-Fe tidak mengubah
secara signifikan besarnya energi band-gap dari semikonduktor TiO2. Sementara itu,
pendopingan Zn, doping Fe, dan co-doping Zn-Fe sangat berpengaruh pada
pembentukan fasa anatase pada TiO2. Fasa anatase terbesar diperoleh pada saat
pendopingan Zn sebesar 0,4 w% dan co-doping antara 0,4 w% Zn dengan 0,07 w%
Fe sebesar 50%:50%. Kinerja dari sel surya dengan pendopingan Zn sebesar 0,4 w%
masih lebih baik dibandingkan dengan kinerja sel surya saat didoping dengan Fe
sebesar 0,07 w%. Untuk co-doping, kinerja sel surya tertinggi diperoleh pada saat
campurannya adalah 50% Zn (0,4 w%) dengan 50% Fe (0,07 w%), dimana Voc, Jsc,
FF , dan efisiensi yang dihasilkan masing-masing adalah 0,619 V, 2,983 mA/cm2,
50,73%, dan 0,94%.
Kata kunci: hollow fibers, co-axial electrospinning, TiO2 doping Zn-Fe-Zn/Fe, dyesensitized solar cell
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
vi
Dharmanto. S951208003. 2014. THE FABRICATION OF TiO2 HOLLOW
FIBERS WITH THE CO-DOPING OF Zn AND Fe IN DYE-SENSITIZED
SOLAR CELL (DSSC). Principal Advisor: Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. Coadvisor: Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Thesis: Sebelas Maret, University.
Surakarta.
Abstract
The objective of this research is to fabricate the TiO 2 hollow fibers with the
co-doping of Zn, Fe and Zn-Fe used to improve the performance of the dye-sensitized
solar cell. The fabrication of semiconductor of TiO 2 hollow fibers used the co-axial
electrospinning with the sheating solution of titanium isopropoxide as the source of
titanium and olive oil as the core solution. The solar cell is composed of fluorinedoped tin oxide glass, iodine as the electrolyte, N719 as the colorant, and platina as
the counter electrode. The characteristics of semiconductor of TiO 2 hollow fibers
were tested by using the X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET),
scanning electron microscopy (SEM), and ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis).
The testing on the solar cell was conducted in the intensity of 1,000 watt/m2. The TiO 2
hollow fibers which were doped with Zn, Fe and Zn-Fe could be made successfully
with the diameter of ~ 160-330 nm and the size of crystal of ~ 8-11 nm. The large
diameter of hollow fiber was obtained at the time of the doping of TiO 2 with Zn
followed by the doping of Fe with the co-doping of Zn-Fe. The results of this research
are the dopings of Zn and Fe with the co-doping of Zn-Fe did not significantly
change the amount of band-gap energy of semiconductor of TiO 2 where as the
dopings of Zn and Fe with the co-doping of Zn-Fe has a significant effect on the
forming of anatase phase in TiO 2. The greatest anatase phase was obtained at the
time of the doping of Zn as much as 0.4 w% and the co-doping between 0.4 w%-Zn
and 0.07 w%-Fe as much as 50%:50%. The performance of the solar cell at the time
of the doping of Zn as much as 0.4 w% is still better than that at the time of the
doping of Fe as much as 0.07 w%. For the co-doping, the highest performance of the
solar cell was obtained in the mixture of 50%-Zn (0.4 w%) with 50%-Fe (0.07 w%)
with the values of Voc, Jsc, FF, and efficiency generated are respectively 0.619 V,
2.983 mA/cm2, 50.73%, and 0.94%.
Keywords: hollow fibers, co-axial electrospinning, TiO 2, doping of Zn-Fe-Zn/Fe, and
dye-sensitized solar cell
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
vii
KATA PENGANTAR
Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT. atas segala
nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan
sehingga dapat terselesaikan dengan baik penulisan tesis dengan judul “FABRIKASI
HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYESENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)”. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan terima
kasih kepada:
1.
Bapak Dr. techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah
memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.
2.
Bapak Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah
memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.
3.
Seluruh Dosen Magister Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi
dan motivasi selama menjalani proses perkuliahan.
4.
Bapakku Sudarman, ibuku Rudjijem, kakakku Yunianto dan Totok Kustanto,
istriku Haryati, putraku Fileisa Cahya Camila dan Muhammad Ridwan Raditya
di rumah yang telah setia memberikan nasehat dan doa.
5.
Rekan-rekan di Lab. Biofuel & Advanced Energy: Pak Imam Sholahudin, Pak
Trisma, Mas Mirza, Mas Huda, Pak Lukman, Mas Tarmo, Pak Agus, Pak Bayu,
Mas Kinas, Mas Bandrio yang telah kompak berjuang saling membantu.
Harapan penulis mudah-mudahan tesis ini menjadi sumber inspirasi bagi
pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis
menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat
diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan tesis ini. Semoga tesis ini dapat menjadi
manfaat bagi kita semua.
Surakarta,
Penulis
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS .............. iv
Abstrak ........................................................................................................... v
Abstract ......................................................................................................... vi
KATA PENGANTAR ................................................................................. vii
DAFTAR ISI ............................................................................................... viii
DAFTAR TABEL .......................................................................................... x
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1.Latar Belakang .................................................................................. 1
1.2.Rumusan Masalah ............................................................................. 3
1.3.Tujuan Penelitian .............................................................................. 3
1.4.Manfaat Penelitian ............................................................................ 3
1.5.Batasan Masalah ............................................................................... 4
1.6.Sistematika Penulisan ....................................................................... 4
BAB II KAJIAN PUSTAKA ........................................................................ 5
2.1.Tinjauan Pustaka ............................................................................... 5
2.1.1.Peran Semikonduktor dalam Sel Surya ......................................... 5
2.1.2.Doping pada Semikonduktor ......................................................... 6
2.1.3.Berbagai Jenis Semikonduktor pada Sel Surya ............................. 9
2.2.Dasar Teori ..................................................................................... 13
2.2.1.Proses Electrospinning ................................................................ 13
2.2.2.Prinsip Kerja DSSC ...................................................................... 15
2.2.3.Karakteristik Sel Surya ................................................................ 17
BAB III METODE PENELITIAN .............................................................. 18
3.1.Tempat Pelaksanaan ....................................................................... 18
3.2.Proses Pembuatan Semikonduktor Hollow Fibers ......................... 18
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ix
3.3.Proses Pengujian Sel Surya DSSC .................................................. 20
3.4.Diagram Aliran Penelitian .............................................................. 21
BAB IV HASIL DAN ANALISIS .............................................................. 22
4.1.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor
Hollow Fibers TiO2 yang Didoping Zn .......................................... 22
4.2.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor
Hollow Fibers TiO2 yang Didoping Fe ........................................... 27
4.3.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor
TiO2 yang dico-doping Zn-Fe ......................................................... 29
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................... 33
5.1.Kesimpulan ..................................................................................... 33
5.2.Saran ............................................................................................... 34
Daftar Pustaka .............................................................................................. 35
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Berbagai bentuk semikonduktor untuk sel surya ........................................................... 8
Tabel 3.1. Parameter pengujian green fiber dan proses sintering ................................................. 18
Tabel 3.2. Parameter pengujian sel surya...................................................................................... 19
Tabel 4.1. Kinerja sel surya dengan semikonduktor hollow fiber TiO2 yang didoping
Zn ................................................................................................................................. 22
Tabel 4.2. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2
yang didoping Zn ......................................................................................................... 24
Tabel 4.3. Perbandingan struktur dan sifat fisik TiO2 rutile dan anatase (Ahonen,
2001 & Fujishima et. al., 1999). .................................................................................. 24
Tabel 4.4. Kinerja sel surya dengan semikonduktor hollow fiber TiO2 yang didoping
Fe .................................................................................................................................. 26
Tabel 4.5. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2
yang didoping Fe .......................................................................................................... 27
Tabel 4.6. Kinerja sel surya dengan semikonduktor TiO2 yang dico-doping Zn-Fe .................... 28
Tabel 4.7. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2
yang didoping Fe .......................................................................................................... 30
Tabel 4.8. Perbandingan hasil pengujian BET antara TiO2 solid fibers dengan TiO2
hollow fibers ................................................................................................................. 32
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Mesin electrospinning (Dong, Z., et al., 2011) ........................................................ 12
Gambar 2.2. a) Gaya-gaya yang bekerja pada tetesan ujung suntikan; b) Lekukan
tidak stabil setelah melewati Taylor cone (Sigmund, W., et al., 2006) ................... 12
Gambar 2.3. Skema two coaxial capillaries electrospinning ...................................................... 13
Gambar 2.4. Prinsip kerja Sel Surya (DSSC) (Khalil, E.J., 2012) ................................................ 14
Gambar 2.5. Kurva I-V pada Sel Surya (Usman, I., 2001) ........................................................... 15
Gambar 3.1. Skema pembentukan hollowfibers menggunakan mesin electrospinning.............. 17
Gambar 3.2. Diagram Aliran Penelitian ........................................................................................ 20
Gambar 4.1. Foto SEM hollow fibers TiO2 yang terbentuk dari proses coaxial
electrospinning dengan larutan titanium tetra isopropoxide-PVP sebagai
shell dan olive oil sebagai core, setelah dikalsinasi pada suhu 5000C
selama 2 jam. (a) Tampak atas material hollow fibers TiO2; (b),(c),(d)
Tampak cross section dari struktur hollow .............................................................. 21
Gambar 4.2. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Zn yang
terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium
tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah
dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material
hollow fibers TiO2 yang didoping Zn; (b), (c),(d) Tampak cross section
dari struktur hollow .................................................................................................. 22
Gambar 4.3. Pola difraksi sinar-X TiO2 dengan variasi doping Zn .............................................. 23
Gambar 4.4. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Fe yang
terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium
tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah
dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material
hollow fibers TiO2 yang didoping Fe; (b), (c),(d) Tampak cross section
dari struktur hollow .................................................................................................. 25
Gambar 4.5. Pola difraksi sinar-X pada TiO2 dengan variasi doping Fe ...................................... 27
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
xii
Gambar 4.6. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Zn-Fe yang
terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium
tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah
dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material
hollow fibers TiO2 yang didoping Zn-Fe; (b),(c),(d) Tampak cross
section dari struktur hollow ...................................................................................... 29
Gambar 4.7. Pola difraksi sinar-X pada semikonduktor TiO2 dengan variasi codoping Zn-Fe ............................................................................................................ 30
commit to user
digilib.uns.ac.id
FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN
Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister
Program Studi Teknik Mesin
Oleh:
Dharmanto
NIM. S951208003
MAGISTER TEKNIK MESIN
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
2014
commit to user
i
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ii
HALAMAN PENGESAHAN
FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN
Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun oleh:
Dharmanto
NIM. S951208003
Komisi
Pembimbing
Nama
Tanda Tangan
Tanggal
Pembimbing I
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 1974090222001121002
14 Agustus 2014
Pembimbing II
Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T.
NIP 197504111999031001
14 Agustus 2014
Telah dinyatakan memenuhi syarat
pada tanggal 14 Agustus 2014
Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin
Program Pascasarjana UNS
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 1974090222001121002
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
iii
FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN
Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun oleh:
Dharmanto
NIM. S951208003
Tim Penguji
Jabatan
Nama
Tanda Tangan
Tanggal
Ketua
Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D.
NIP 197007201999031001
14 Agustus 2014
Sekretaris
Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T.
NIP 197106151998021002
14 Agustus 2014
Anggota Penguji
Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T.
NIP 197504111999031001
14 Agustus 2014
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 1974090222001121002
14 Agustus 2014
Telah dipertahankan di depan penguji
dan dinyatakan telah memenuhi syarat
pada tanggal 14 Agustus 2014
Direktur Program Pascasarjana UNS
Ketua Program Studi
Magister Teknik Mesin
Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S.
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP 196107171986011001
NIP 1974090222001121002
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
iv
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS
Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa :
1.
Tesis yang berjudul : “FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CODOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)” ini
adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya
ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk rnernperoleh gelar akademik
serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh
orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan
disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari
terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima
sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No 17,
tahun 2010)
2.
Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain
harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS
sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester
(enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari
sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS
berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi
Magister Teknik Mesin UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari
ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang
berlaku.
Surakarta, 14 Agustus 2014
Mahasiswa,
Dharmanto
S951208003
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
v
Dharmanto, NIM: S951208003, 2014. FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2
DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL
(DSSC). Komisi Pembimbing I: Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. Pembimbing II: Dr.
Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin.
Program Pascasarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk membuat hollow fibers TiO2 yang didoping Zn,
Fe, dan Zn-Fe yang digunakan untuk meningkatkan kinerja dari dye-sensitized solar
cell. Fabrikasi semikonduktor hollow fibers TiO2 dengan menggunakan teknik coaxial electrospinning, dengan larutan sheath menggunakan larutan titanium
isopropoxide sebagai sumber titanium dan olive oil sebagai larutan core. Sel surya
disusun dari kaca fluorine-doped tin oxide, iodine sebagai elektrolit, N719 sebagai
pewarna, dan platina sebagai counter electrode. Karakteristik semikonduktor TiO2
hollow fibers diuji dengan X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET),
scanning electron microscopy (SEM), dan ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis).
Pengujian sel surya dilakukan pada intensitas 1000 watt/m2. Hollow fibers TiO2 yang
didoping Zn, Fe, dan Zn-Fe telah berhasil dibuat dengan diameter ~160-330 nm dan
ukuran kristal ~8-11 nm. Diameter lubang yang besar diperoleh pada saat
pendopingan TiO2 dengan Zn, disusul pendopingan Fe, dan co-doping Zn-Fe.
Selanjutnya, pendopingan Zn, doping Fe, dan co-doping Zn-Fe tidak mengubah
secara signifikan besarnya energi band-gap dari semikonduktor TiO2. Sementara itu,
pendopingan Zn, doping Fe, dan co-doping Zn-Fe sangat berpengaruh pada
pembentukan fasa anatase pada TiO2. Fasa anatase terbesar diperoleh pada saat
pendopingan Zn sebesar 0,4 w% dan co-doping antara 0,4 w% Zn dengan 0,07 w%
Fe sebesar 50%:50%. Kinerja dari sel surya dengan pendopingan Zn sebesar 0,4 w%
masih lebih baik dibandingkan dengan kinerja sel surya saat didoping dengan Fe
sebesar 0,07 w%. Untuk co-doping, kinerja sel surya tertinggi diperoleh pada saat
campurannya adalah 50% Zn (0,4 w%) dengan 50% Fe (0,07 w%), dimana Voc, Jsc,
FF , dan efisiensi yang dihasilkan masing-masing adalah 0,619 V, 2,983 mA/cm2,
50,73%, dan 0,94%.
Kata kunci: hollow fibers, co-axial electrospinning, TiO2 doping Zn-Fe-Zn/Fe, dyesensitized solar cell
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
vi
Dharmanto. S951208003. 2014. THE FABRICATION OF TiO2 HOLLOW
FIBERS WITH THE CO-DOPING OF Zn AND Fe IN DYE-SENSITIZED
SOLAR CELL (DSSC). Principal Advisor: Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. Coadvisor: Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Thesis: Sebelas Maret, University.
Surakarta.
Abstract
The objective of this research is to fabricate the TiO 2 hollow fibers with the
co-doping of Zn, Fe and Zn-Fe used to improve the performance of the dye-sensitized
solar cell. The fabrication of semiconductor of TiO 2 hollow fibers used the co-axial
electrospinning with the sheating solution of titanium isopropoxide as the source of
titanium and olive oil as the core solution. The solar cell is composed of fluorinedoped tin oxide glass, iodine as the electrolyte, N719 as the colorant, and platina as
the counter electrode. The characteristics of semiconductor of TiO 2 hollow fibers
were tested by using the X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET),
scanning electron microscopy (SEM), and ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis).
The testing on the solar cell was conducted in the intensity of 1,000 watt/m2. The TiO 2
hollow fibers which were doped with Zn, Fe and Zn-Fe could be made successfully
with the diameter of ~ 160-330 nm and the size of crystal of ~ 8-11 nm. The large
diameter of hollow fiber was obtained at the time of the doping of TiO 2 with Zn
followed by the doping of Fe with the co-doping of Zn-Fe. The results of this research
are the dopings of Zn and Fe with the co-doping of Zn-Fe did not significantly
change the amount of band-gap energy of semiconductor of TiO 2 where as the
dopings of Zn and Fe with the co-doping of Zn-Fe has a significant effect on the
forming of anatase phase in TiO 2. The greatest anatase phase was obtained at the
time of the doping of Zn as much as 0.4 w% and the co-doping between 0.4 w%-Zn
and 0.07 w%-Fe as much as 50%:50%. The performance of the solar cell at the time
of the doping of Zn as much as 0.4 w% is still better than that at the time of the
doping of Fe as much as 0.07 w%. For the co-doping, the highest performance of the
solar cell was obtained in the mixture of 50%-Zn (0.4 w%) with 50%-Fe (0.07 w%)
with the values of Voc, Jsc, FF, and efficiency generated are respectively 0.619 V,
2.983 mA/cm2, 50.73%, and 0.94%.
Keywords: hollow fibers, co-axial electrospinning, TiO 2, doping of Zn-Fe-Zn/Fe, and
dye-sensitized solar cell
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
vii
KATA PENGANTAR
Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT. atas segala
nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan
sehingga dapat terselesaikan dengan baik penulisan tesis dengan judul “FABRIKASI
HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYESENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)”. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan terima
kasih kepada:
1.
Bapak Dr. techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah
memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.
2.
Bapak Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah
memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.
3.
Seluruh Dosen Magister Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi
dan motivasi selama menjalani proses perkuliahan.
4.
Bapakku Sudarman, ibuku Rudjijem, kakakku Yunianto dan Totok Kustanto,
istriku Haryati, putraku Fileisa Cahya Camila dan Muhammad Ridwan Raditya
di rumah yang telah setia memberikan nasehat dan doa.
5.
Rekan-rekan di Lab. Biofuel & Advanced Energy: Pak Imam Sholahudin, Pak
Trisma, Mas Mirza, Mas Huda, Pak Lukman, Mas Tarmo, Pak Agus, Pak Bayu,
Mas Kinas, Mas Bandrio yang telah kompak berjuang saling membantu.
Harapan penulis mudah-mudahan tesis ini menjadi sumber inspirasi bagi
pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis
menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat
diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan tesis ini. Semoga tesis ini dapat menjadi
manfaat bagi kita semua.
Surakarta,
Penulis
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS .............. iv
Abstrak ........................................................................................................... v
Abstract ......................................................................................................... vi
KATA PENGANTAR ................................................................................. vii
DAFTAR ISI ............................................................................................... viii
DAFTAR TABEL .......................................................................................... x
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1.Latar Belakang .................................................................................. 1
1.2.Rumusan Masalah ............................................................................. 3
1.3.Tujuan Penelitian .............................................................................. 3
1.4.Manfaat Penelitian ............................................................................ 3
1.5.Batasan Masalah ............................................................................... 4
1.6.Sistematika Penulisan ....................................................................... 4
BAB II KAJIAN PUSTAKA ........................................................................ 5
2.1.Tinjauan Pustaka ............................................................................... 5
2.1.1.Peran Semikonduktor dalam Sel Surya ......................................... 5
2.1.2.Doping pada Semikonduktor ......................................................... 6
2.1.3.Berbagai Jenis Semikonduktor pada Sel Surya ............................. 9
2.2.Dasar Teori ..................................................................................... 13
2.2.1.Proses Electrospinning ................................................................ 13
2.2.2.Prinsip Kerja DSSC ...................................................................... 15
2.2.3.Karakteristik Sel Surya ................................................................ 17
BAB III METODE PENELITIAN .............................................................. 18
3.1.Tempat Pelaksanaan ....................................................................... 18
3.2.Proses Pembuatan Semikonduktor Hollow Fibers ......................... 18
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ix
3.3.Proses Pengujian Sel Surya DSSC .................................................. 20
3.4.Diagram Aliran Penelitian .............................................................. 21
BAB IV HASIL DAN ANALISIS .............................................................. 22
4.1.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor
Hollow Fibers TiO2 yang Didoping Zn .......................................... 22
4.2.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor
Hollow Fibers TiO2 yang Didoping Fe ........................................... 27
4.3.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor
TiO2 yang dico-doping Zn-Fe ......................................................... 29
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................... 33
5.1.Kesimpulan ..................................................................................... 33
5.2.Saran ............................................................................................... 34
Daftar Pustaka .............................................................................................. 35
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Berbagai bentuk semikonduktor untuk sel surya ........................................................... 8
Tabel 3.1. Parameter pengujian green fiber dan proses sintering ................................................. 18
Tabel 3.2. Parameter pengujian sel surya...................................................................................... 19
Tabel 4.1. Kinerja sel surya dengan semikonduktor hollow fiber TiO2 yang didoping
Zn ................................................................................................................................. 22
Tabel 4.2. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2
yang didoping Zn ......................................................................................................... 24
Tabel 4.3. Perbandingan struktur dan sifat fisik TiO2 rutile dan anatase (Ahonen,
2001 & Fujishima et. al., 1999). .................................................................................. 24
Tabel 4.4. Kinerja sel surya dengan semikonduktor hollow fiber TiO2 yang didoping
Fe .................................................................................................................................. 26
Tabel 4.5. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2
yang didoping Fe .......................................................................................................... 27
Tabel 4.6. Kinerja sel surya dengan semikonduktor TiO2 yang dico-doping Zn-Fe .................... 28
Tabel 4.7. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2
yang didoping Fe .......................................................................................................... 30
Tabel 4.8. Perbandingan hasil pengujian BET antara TiO2 solid fibers dengan TiO2
hollow fibers ................................................................................................................. 32
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Mesin electrospinning (Dong, Z., et al., 2011) ........................................................ 12
Gambar 2.2. a) Gaya-gaya yang bekerja pada tetesan ujung suntikan; b) Lekukan
tidak stabil setelah melewati Taylor cone (Sigmund, W., et al., 2006) ................... 12
Gambar 2.3. Skema two coaxial capillaries electrospinning ...................................................... 13
Gambar 2.4. Prinsip kerja Sel Surya (DSSC) (Khalil, E.J., 2012) ................................................ 14
Gambar 2.5. Kurva I-V pada Sel Surya (Usman, I., 2001) ........................................................... 15
Gambar 3.1. Skema pembentukan hollowfibers menggunakan mesin electrospinning.............. 17
Gambar 3.2. Diagram Aliran Penelitian ........................................................................................ 20
Gambar 4.1. Foto SEM hollow fibers TiO2 yang terbentuk dari proses coaxial
electrospinning dengan larutan titanium tetra isopropoxide-PVP sebagai
shell dan olive oil sebagai core, setelah dikalsinasi pada suhu 5000C
selama 2 jam. (a) Tampak atas material hollow fibers TiO2; (b),(c),(d)
Tampak cross section dari struktur hollow .............................................................. 21
Gambar 4.2. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Zn yang
terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium
tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah
dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material
hollow fibers TiO2 yang didoping Zn; (b), (c),(d) Tampak cross section
dari struktur hollow .................................................................................................. 22
Gambar 4.3. Pola difraksi sinar-X TiO2 dengan variasi doping Zn .............................................. 23
Gambar 4.4. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Fe yang
terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium
tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah
dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material
hollow fibers TiO2 yang didoping Fe; (b), (c),(d) Tampak cross section
dari struktur hollow .................................................................................................. 25
Gambar 4.5. Pola difraksi sinar-X pada TiO2 dengan variasi doping Fe ...................................... 27
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
xii
Gambar 4.6. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Zn-Fe yang
terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium
tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah
dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material
hollow fibers TiO2 yang didoping Zn-Fe; (b),(c),(d) Tampak cross
section dari struktur hollow ...................................................................................... 29
Gambar 4.7. Pola difraksi sinar-X pada semikonduktor TiO2 dengan variasi codoping Zn-Fe ............................................................................................................ 30
commit to user