Seminar Tugas Akhir - Fabrikasi Dye-Sensitized Solar Cell(DSSC) Berstruktur Bilayer Anatase TiO2 Dalam Rangkaian Seri Dan Paralel - ITS Repository

  Seminar Tugas Akhir FABRIKASI DYE-SENSITIZED SOLAR

CELL (DSSC) BERSTRUKTUR BILAYER

  

ANATASE TiO DALAM RANGKAIAN

2 SERI DAN PARALEL

  Oleh : Dosen Pembimbing :

  Indonesia = Garis katulistiwa Terkena sinar matahari selama 10-12 jam dalam sehari

  (Djoko Adi Widodo, 2009)

  9 Potensi 1,2 x 10 MW = 20 juta PLTP Unit IV Kamojang

  Ditjen Listrik dan Pengembangan Energi Mengapa Sel Surya tidak populer digunakan di Indonesia?

LATAR BELAKANG

  DSSC  M. Grätzel dan O’Regan (1991)

  Terinspirasi dari proses fotosintesis Mekanisme fotosintesis

  Dye = Klorofil

   penghasil elektron Semikonduktor Oksida = CO

   akseptor elektron

2 Larutan Elektrolit = Air

   donor elektron Kaca TCO = Daun

   media

  Prinsip kerja DSSC

LATAR BELAKANG

• Fotoreaktivitas tinggi
• Bandgap lebar (3.0 eV – 3.5 eV)
• Tidak beracun
• Stabil • Harganya ekonomis
• Sustia Agustini (2013) ƞ = 0,037%
• Ruri Agung W (2013) ƞ = 0,0366%

  Semikonduktor Oksida TiO

  2 , ZnO, SnO

  2 , In

  3 , Nb

  2 O 3, Sealing Transparent Conductiong

  Oxide (TCO) Grafit/Platina

  Glass Elektrolit TCO+Pt/Grafit

  Glass Semikonduktor + Dye

  Struktur DSSC Keunggulan TiO

  2

  Efisiensi DSSC Monolayer

  Bilayer

2 O

LATAR BELAKANG

  Struktur Bilayer DSSC Sealing Transparent

• Berukuran nanometer
• Meningkatkan penyerapan

  Conductiong Oxide (TCO) Grafit/Platina

• Berukuran submikrometer/ nanometer yang lebih besar
• Meningkatkan penyerapan sinar matahari (light

  Glass Elektrolit TCO+Pt/Grafit

  Glass Semikonduktor 2 + Dye Semikonduktor 1 + Dye

  Semikonduktor 1 (top layer)

  Dye Semikonduktor 2 (bottom layer)

  scattering)

RUMUSAN DAN BATASAN MASALAH

  Rumusan Masalah

1. Bagaimana proses fabrikasi DSSC berstruktur bilayer anatase TiO yang

  2

  menghasilkan efisiensi terbesar?

  2. Bagaimana pengaruh rangkaian seri, paralel, dan gabungan keduanya terhadap unjuk kerja DSSC berstuktur bilayer anatase TiO ?

  2 Batasan Masalah

• Dye yang digunakan berasal dari ekstrak kulit buah manggis

• • Dye tidak dilakukan uji UV-Vis karena proses ekstraksi sama seperti penelitian-penelitian sebelumnya

  pada bilayer adalah 100% anatase
• Komposisi TiO

  2 pada kaca transparent conducting oxide (TCO) menggunakan metode doctor blade

• Pelapisan TiO

  2

• • Banyaknya DSSC yang difabrikasi untuk dikonfigurasikan secara seri, paralel, atau campuran sebanyak

  6 sel.
• Unjuk kerja DSSC diteliti melalui uji Incident Photon to Current Conversion Efficiency (IPCE) dan uji

PENELITIAN SEBELUMNYA

  Pengaruh Seri, Paralel, Campuran Kholid Ramadhani, 2009

  ƞ = 0,1619% ƞ = 0,1285% ƞ = 0,2103%

  Layer

  2 PENELITIAN SEBELUMNYA Pengaruh Layer Semikonduktor R. A. Wahyuono, 2013

  Layer

  1 Pengaruh Seri, Paralel, Campuran Kholid Ramadhani, 2009

  Kaca TCO

• Monolayer anatase ƞ = 0,02%
• Monolayer rutile ƞ = 0,037%
• Bilayer anatase : rutile ƞ = 0,1365%
• Bilayer anatase : anatase ƞ = 0.461%

PENELITIAN SEBELUMNYA

  Pengaruh Seri, Paralel, Campuran Kholid Ramadhani, 2009

  A. Molea (2011)

• Metode solgel/kopresipitasi untuk

  Pengaruh Layer Semikonduktor mendapatkan TiO dari TiCl

  2

  3 R. A. Wahyuono, 2013 Sintesis TiO

2 A. Molea (2011)

  Irana E. P. (2013)

PENELITIAN SEBELUMNYA

  Irana E. P. (2013)

• Rekayasa temperatur dan waktu furnace

  Pengaruh Seri, Paralel, Campuran

  dalam mendapatkan ukuran TiO yang

  2

  diinginkan

  Kholid Ramadhani, 2009

  22

  20

  18 Pengaruh Layer Semikonduktor

  16 ) _o

  550 C , 4 h R. A. Wahyuono, 2013

  14 nm l (

  12 ta ris

  10 n K

  8 Sintesis TiO

  2 ra

  2 jam

  6 ku

  4 jam U

A. Molea (2011)

  _o

  4 200 C , 4 h

  (Wahyuono,2013)

  2 (Agustini,2013)

  Irana E. P. (2013)

PENELITIAN SEBELUMNYA

  Pengaruh Seri, Paralel, Campuran Kholid Ramadhani, 2009

  Nur Abdillah S. (2015)

• 6 DSSC

  Pengaruh Layer Semikonduktor

• Bilayer anatase R. A. Wahyuono, 2013
• Metode kopresipitasi

  o C selama 4 jam &

• 200

  o Sintesis TiO

  550 C selama 4 jam

2 A. Molea (2011)

  Irana E. P. (2013)

METODOLOGI PENELITIAN

  Mulai Persiapan alat dan bahan Alat dan Bahan

• Alat

  1. Fabrikasi - crucible, spatula, penggaris, pipet, gelas ukur, dll

  2. Rangkaian - Printed Circuit

  Board (PCB) jenis Dot Matrix,

  kabel jumper, solder, dll

METODOLOGI PENELITIAN

  Mulai Persiapan alat dan bahan Alat dan Bahan

• Bahan

  1. Ekstrak pewarna alami - kulit manggis , kertas saring, dll

  2. Sintesis TiO - TiCl , HCl, NH OH

  2

  3

  4

  3. Perakitan DSSC - CH COOH,

  3 Triton X-100 , PEG MW 4000, dll

METODOLOGI PENELITIAN

  Ekstraksi Pewarna Kulit Manggis

  1

  3

  2 Ekstraksi dye dari kulit manggis Persiapan alat dan bahan

  Mulai Teknik maserasi  Bubuk Kulit Manggis ke Ethanol 96%

METODOLOGI PENELITIAN

  Mulai Sintesis TiO

   Metode Kopresipitasi

  2 Persiapan alat dan bahan Sintesis TiO fase anatase ₂ (bottom layer dan top layer)

  Tidak Uji XRD Terdapat anatase?

  Ekstraksi dye dari kulit manggis

  Ya Pelapisan

  2

  1 Uji XRD

HASIL PENGUJIAN

  Top Layer (A1) FWHM / β (radian)

  Θ (radian) D (nm)

  1.52 25.491 5,43 Hasil Pengujian XRD

  λ = 0,154 nm

  Bottom Layer (A2) FWHM / β (radian)

  Θ (radian) D (nm)

  JCPDS No.21-1272

    cos 92 ,

  FWHM D  100 200 300 400 500 600

  In te ns ita s

  Anatase 200 C 4 jam Anatase 550 C 4 jam

HASIL PENGUJIAN

  Top Layer (A1) FWHM / β (radian)

  Θ (radian) D (nm)

  1.52 25.491 5,43 Hasil Pengujian XRD

  λ = 0,154 nm

  Bottom Layer (A2) FWHM / β (radian)

  Θ (radian) D (nm)

  100 200 300 400 500 600

  A A A A A A A A In te ns ita s

  Anatase 200 C 4 jam Anatase 550 C 4 jam   cos 92 ,

  FWHM D 

  JCPDS No.21-1272

METODOLOGI PENELITIAN

  Pelapisan TiO

  2 pada Kaca Transparent Conductive Oxide

  (TCO)

  Metode doctor blade

  Uji XRD Terdapat anatase? Tidak

  Sintesis TiO ₂ fase anatase (bottom layer dan top layer) Ekstraksi dye dari kulit manggis Persiapan alat dan bahan

  Mulai Pelapisan monolayer TiO ₂ fase anatase pada kaca TCO bottom layer Pelapisan bilayer TiO ₂ fase anatase pada kaca TCO top layer

METODOLOGI PENELITIAN

  Perendaman Kaca TCO Berlapis TiO

  2 di Larutan Pewarna

  Perendaman12 jam

  Uji XRD Terdapat anatase? Tidak

  Sintesis TiO ₂ fase anatase (bottom layer dan top layer) Ekstraksi dye dari kulit manggis Persiapan alat dan bahan

  Mulai Pelapisan monolayer TiO ₂ fase anatase pada kaca TCO bottom layer Pelapisan bilayer TiO ₂ fase anatase pada kaca TCO top layer

  Ya Perendaman kaca TCO ke dalam larutan dye _{Lapisan TiO 2 mengelupas?}

METODOLOGI PENELITIAN

  Mulai Perakitan  Struktur Sandwich

  Persiapan alat dan bahan Penambahan elektrolit dan elektroda lawan

  Sintesis TiO fase anatase ₂ Semikonduktor 2 + Dye Semikonduktor 1 + Dye (bottom layer dan top layer) Tidak

  Glass Uji XRD

  TCO Terdapat anatase?

  Ekstraksi dye dari kulit manggis

  Sealing Pelapisan monolayer TiO fase anatase ₂ Grafit/Platina pada kaca TCO bottom layer

  Glass Ya

  Pelapisan bilayer TiO fase anatase pada ₂ kaca TCO top layer _{Perendaman kaca TCO ke dalam larutan dye} Elektrolit TCO+Pt/Grafit

  Lapisan TiO mengelupas? ₂

  A

METODOLOGI PENELITIAN

  Pengujian unjuk kerja tiap DSSC Pengujian Unjuk Kerja Setiap DSSC

  Uji IPCE

  1. Uji Karakterisasi IPCE Parameter untuk menentukan

  Laboratorium Fotonika Teknik Fisika ITS ITS efisiensi konversi cahaya pada

  rangkaian monokromator

  DSSC

  ekuivalen

   J 1240

  SC

  IPCE 

  [%]

  4 cm 1 cm

   P

   cahaya halogen DSSC multimeter

HASIL PENGUJIAN

  Hasil Pengujian IPCE 0.035

  DSSC 1

  IPCE tertinggi DSSC 2

  IPCE tinggi DSSC 3

  0.030 0.02407%

  DSSC 4 350-500 nm

  DSSC 5 0.025

  DSSC 6 Antosianin tipe

  0.020 sianidin

  IPCE 0.015

  % 400-500 nm

  0.010 0.005

  2. Uji Arus Tegangan Untuk menentukan bentuk kurva I-V dan efisiensi dari setiap DSSC

  DSSC A

  V Uji IPCE Pengujian unjuk kerja tiap DSSC

  A Uji arus- tegangan

METODOLOGI PENELITIAN

  Pengujian Unjuk Kerja Setiap DSSC DSSC Lux Meter Rangkaian Ekuivalen Multimeter Pemodelan satu dioda

METODOLOGI PENELITIAN

  Penggunaan Pemodelan Dioda − ( − = − − − 1

  ℎ

  diasumsikan sangat besar

  R

  → diabaikan

  sh

  diasumsikan sangat kecil

  R

   diabaikan

  s = − − 1

  

Keterangan :

I = arus (A)

  I = Arus Jenuh Dioda (A)

• 23 -1

  V = tegangan (V) k = 1.3806488 × 10 J K

• 19

0.10 R

  0.03

  Pengukuran Pengukuran + Pemodelan

  DSSC 1 DSSC 2 DSSC 3 DSSC 4 DSSC 5 DSSC 6 HASIL PENGUJIAN Kurva Arus Tegangan Setiap DSSC

  

2

)

  

(mA/

cm

  0.10 R

ap

at

Arus,

J

sc

  0.09

  0.08

  0.07

  0.06

  0.05

  0.04

  0.01

  0.02

  0.01

  DSSC 1 DSSC 2 DSSC 3 DSSC 4 DSSC 5 DSSC 6

  2 )

  (mA/ cm

  ap at Arus, J sc

  0.09

  0.08

  0.07

  0.06

  0.05

  0.04

  0.03

  0.02

HASIL PENGUJIAN

  0,080 359,8 21,83 74,65 1,571 5,372

   berubah nilainya dalam kondisi intensitas cahaya yang

  R sh

  diasumsikan sangat kecil  diabaikan

  R s

  diasumsikan sangat besar → diabaikan

  R sh

  0,076 346,7 22,21 73,98 1,463 4,873

  DSSC 4

  Hasil Pengujian Arus Tegangan Setiap DSSC

  Nama DSSC J sc

  0,084 368,3 38,30 75,48 2,962 5,838

  DSSC 1 0,099 374,5 44,05 75,28 4,083 6,978 DSSC 2

  Pengu- kuran Pemo- delan

  Pengu- kuran Pemo- delan

  ) (mV)

  2

  (mA/c m

  2 )

  V oc Fill Factor (%) P max (mW/cm

  DSSC 3

HASIL PENGUJIAN

  = FF sesungguhnya akibat adanya hambatan seri R CH

  Ω

  3

  3

  6.28x10

  s

  Rentang R

  Keterangan :

  /I sc .

  = hambatan karakteristik yang merupakan V oc

  = (1 − FF = FF pemodelan FF s

  Nama DSSC

  19 0,3467 18,25 73,98 22,21 12,77

  DSSC 4

  20 0,3598 17,99 74,65 21,83 12,73

  DSSC 3

  6.28 DSSC 2 21 0,3683 17,54 75,48 38,3 8,64

  25 0,3745 15,13 75,28 44,05

  3 (Ω) FF (%) FF s (%) R s (k Ω) DSSC 1

  V oc (V) R CH x10

  I sc x10 -6 (A)

• 15,41x10

HASIL PENGUJIAN

  0,00695 0,0226 0,0773 0,01304

  0,0093 0,0267

  0,00745 0,0191 0,0546 0,01521

  DSSC 6

  0,0087 0,0267

  0,00721 0,0170 0,0524 0,01418

  DSSC 5

  0,0111 0,0370

  0,00698 0,0210 0,0698 0,01318

  DSSC 4

  0,0120 0,0412

  Perbandingan Efisiensi DSSC Rentang Efisiensi

  Perhitungan Efisiensi Setiap DSSC Nama DSSC Luxmeter

  0,0235 0,0462

  0,00685 0,0432 0,0852 0,01263

  DSSC 2

  0,0327 0,0558

  0,00682 0,0598 0,1023 0,01250

  Pengu-kuran Teoretis Pengu-kuran Teoretis DSSC 1

  2 ) Efisiensi (%)

  Inten-sitas (W/cm

  2 ) Efisiensi (%)

  Pyranometer Inten-sitas (W/cm

  DSSC 3

HASIL PENGUJIAN

  Kurva Efisiensi Setiap DSSC

  0.11 Luxmeter Pengukuran Luxmeter Pemodelan

  0.10 Pyranometer Pengukuran

Pyranometer Pemodelan

  0.09

  0.08 Intensitas daya luxmeter

  2

  2

  0.07

  0,02729 W/cm - 0,02978 W/cm

  )

  0.06 (%

  Intensitas daya pyranometer si

  0.05

  2

  2 en 0,0298 W/cm - 0,0307 W/cm . isi

  0.04 Ef

  0.03 P MAX

  0.02  

  0.01 P

METODOLOGI PENELITIAN

  Uji IPCE Pengujian unjuk kerja tiap DSSC A

  Uji arus- tegangan DSSC dirangkai Seri dan Paralel

  Pemodelan satu dioda Pengujian 6 DSSC yang dirangkai seri-paralel (10 variasi rangkaian) dengan uji arus-tegangan

HASIL PENGUJIAN

0.60 R

  0.50

  0.20

  0.25

  0.30

  0.35

  0.40

  0.45

  0.55

  0.10

  0.60 R

ap

at

Arus,

J

sc

  

(mA/

cm

  

2

)

  Rangkaian 1 Rangkaian 2 Rangkaian 3 Rangkaian 4 Rangkaian 5 Rangkaian 6 Rangkaian 7 Rangkaian 8 Rangkaian 9 Rangkaian 10

  Kurva Arus-Tegangan Setiap Rangkaian ƞ = 0.137%

  Pengukuran + Pemodelan Pengukuran

  0.15

  0.00

  0.05

  0.40

  0.10

  0.15

  0.20

  0.25

  0.30

  0.35

  0.45

  0.00

  0.50

  0.55

  ap at Arus, J sc

  (mA/ cm

  2 )

  Rangkaian 1 Rangkaian 2 Rangkaian 3 Rangkaian 4 Rangkaian 5 Rangkaian 6 Rangkaian 7 Rangkaian 8 Rangkaian 9 Rangkaian 10

  500 1000 1500 2000 2500

  0.05

HASIL PENGUJIAN

  Karakterisasi Tiap Rangkaian

  R

  s

   Berpengaruh

  = ( − Nama DSSC J _sc

  V _oc Fill Factor P _max (mWcm

• ^-2 )

  (mA/ cm ² ) (mV) Pengu- kuran Teoretis Pengu- kuran Teoretis

  Rang.1 0,072 2254 34,56 93,67 14,02 37,95 Rang. 2 0,227 358,34 35,99 74,82 7,35 15,22 Rang. 3 0,235 739,17 32,83 84,94 14,32 36,82 Rang. 4 0,356 475,28 33,25 79,20 13,82 33,47 Rang. 5 0,560 356,59 27,68 74,64 14,07 37,26 Rang. 6

  0,136 973,32 20,77 87,62 7,08 29,04 Rang. 7 0,363 726,93 45,12 84,55 27,11 55,81 Rang. 8 0,151 1424 29,00 90,76 15,69 48,90

HASIL PENGUJIAN

  Rentang R s

  3 Ω

  3

  6.28x10

• 15,41x10
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6 _
• 1
• 1
• 1
• 1
• 1

  2

  1

  R

  S

  = 13,17x10

  3

  Ω

  1

  =

  Rang, 8

  1

  R

  S

  = 9,6x10

  3

  Ω

  38 1,424 37,72 90,76 29 25,67

  91 0,7269 8,01 84,55 45,12 3,74

  3

  Rang, 3

  4

  5

  6 Nama Rangkaian Isc x10-6 (A) Voc (V) Rch x103 (Ω) FF0 (%) FFs (%) Rs (k Ω) Rang,1

  18 2,254 125,22 93,67 34,56 79,02

  Rang, 2

  56,8 0,3583 6,31 74,82 35,99 3,28

  58,8 0,7392 12,58 84,94 32,83 7,72

  Rang, 7

  Rang, 4

  89 0,4753 5,34 79,2 33,25 3,10

  Rang, 5

  140 0,3566 2,55 74,64 27,68 1,60

  _ =

  34 0,9733 28,63 87,62 20,77 21,84

  Rang, 6

HASIL PENGUJIAN

  Perhitungan Efisiensi Setiap Rangkaian Efisiensi Rendah

  Efisiensi Tinggi Nama DSSC Luxmeter Pyranometer Intensitas (W/cm

  2 ) Efisiensi (%)

Intensitas

(W/cm

  2 ) Efisiensi (%) Pengu- kuran Teoretis Pengu- kuran Teoretis Rang.1 0,0396 0,0354 0,0958

  0,0752 0,0187 0,0505 Rang. 2

  0,0400 0,0184 0,0380 0,0770 0,0095 0,0198

  Rang. 3 0,0403 0,0356 0,0914

  0,0783 0,0183 0,0471 Rang. 4

  0,0407 0,0340 0,0823 0,0801 0,0173 0,0418

  Rang. 5 0,0408 0,0344 0,0912

  0,0809 0,0174 0,0460 Rang. 6

  0,0417 0,0170 0,0697 0,0850 0,0083 0,0342

  Rang. 7 0,0412 0,0658 0,1356

  0,0825 0,0328 0,0676 Rang. 8

  0,0410 0,0382 0,1192 0,0819 0,0192 0,0597

HASIL PENGUJIAN

  Kurva Efisiensi Setiap Rangkaian Efisiensi Setiap Rangkaian Rentang Efisiensi Setiap Rangkaian

  0.16 Luxmeter Pengukuran

  0.15 Luxmeter Pemodelan

  0.14 Pyranometer Pengukuran

  0.13 Pyranometer Pemodelan

  0.12

  0.11

  0.10 )

  0.09 (%

  0.08 si

  0.07 en isi

  0.06 Ef

  0.05

  0.04

  0.03

  0.02

  0.01

HASIL PENGUJIAN

0.09 R

  

3 DSSC

  Te ga ng an , V ^OC (V)

  0.4 ^{0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0} Tegangan Pengukuran Linearisasi

  Banyaknya Sel

  R ap at Arus, J ^sc (mA/ cm ² )

  1 ^{2 3 4 5 6 0.00 0.01 0.02 0.07 0.08 0.09} Arus Pengukuran Linearisasi

  Pengujian Arus dan Tegangan Rangkaian Seri

  1

  

6 DSSC

=

  

5 DSSC

  

4 DSSC

  

2 DSSC

  200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

  

1 DSSC

  Tegangan (mV)

  ap at Arus, J ^sc (mA/ cm ² )

  0.08

  0.07

  0.06

  0.05

  0.04

  0.03

  0.02

  0.01

  0.00

• 2
• ⋯ +

HASIL PENGUJIAN

0.6 R

  4 DSSC

  V ^OC (V)

  T eg an ga n,

  0.25 ^{0.30 0.35 0.40} Tegangan Pengukuran Linearisasi

  Banyaknya Sel

  R ap at Arus, J ^sc (mA/ cm ² )

  1 ^{2 3 4 5 6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6} Arus Pengukuran Linearisasi

  Pengujian Arus dan Tegangan Rangkaian Paralel

  1

  6 DSSC =

  5 DSSC

  3 DSSC

  50 100 150 200 250 300 350 400

  2 DSSC

  1 DSSC

  Tegangan (mV)

  2 )

  (mA/cm

  ap at Aru s, J sc

  0.5

  0.4

  0.3

  0.2

  0.1

  0.0

• 2
• ⋯ +

KESIMPULAN

• Ukuran partikel TiO

  2 fase anatase yang dihasilkan melalui metode kopresipitasi adalah 5,43 nm untuk lapisan utama dan 49,26 nm untuk lapisan penghambur cahaya.

• • Efisiensi DSSC yang dihasilkan berdasarkan uji arus-tegangan berada

  dalam rentang 0,0087% hingga 0,0327%.

• • Efisiensi terbaik pada variasi rangkaian seri, paralel, dan campuran 6

  DSSC adalah rangkaian 9 yakni setiap 2 sel diparalel kemudian diseri