PEMBUATAN PROTOTIPE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) MENGGUNAKAN EKSTRAK ANTOSIANIN BUAH DELIMA (PUNICA GRANATUM) DENGAN METODE SOL-GEL-SPIN COATING.
PEMBUATAN PROTOTIPE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
MENGGUNAKAN EKSTRAK ANTOSIANIN BUAH DELIMA
(PUNICA GRANATUM) DENGAN METODE SOL-GEL-SPIN
COATING
SKRIPSI
Okti Mulyani
0910442083
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2013
1
PEMBUATAN PROTOTIPE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
MENGGUNAKAN EKSTRAK ANTOSIANIN BUAH DELIMA (PUNICA
GRANATUM) DENGAN METODE SOL GEL SPIN COATING
ABSTRAK
Kinerja sel surya TiO2 untuk menghasilkan energi listrik telah diteliti dengan
menggunakan ekstrak antosianin buah delima sebagai dye atau fotosensitizer.
Lapisan tipis TiO2 dideposisi di atas substrat kaca ITO. Penumbuhan lapisan tipis
TiO2 menggunakan metode sol-gel-spin coating dengan variasi waktu 2 menit, 4
menit, 6 menit, 8 menit dan 10 menit pada kecepatan 1500 rpm. UV-Vis,
Scanning Electron Microscope (SEM), X-Ray Difraction (XRD) dan uji
karakteristik I-V merupakan cara yang digunakan untuk mepelajari sifat optik,
morfologi ukuran kristal dan efisiensi DSSC. Bandgap lapisan tipis ditentukan
menggunakan metode Touc Plot. Karakterisasi UV-Vis menunjukkan absorpsi
paling besar 0,7293 dengan bandgap 3,2 eV diperoleh dari lapisan tipis TiO2
yang dideposisi selama 2 menit. Berdasarkan pengukuran arus dan tegangan pada
penelitian ini menunjukkan nilai efisiensi tertinggi yang mampu dicapai DSSC
menggunakan dye buah delima 1,778%. Hal ini dapat menunjang kinerja DSSC
dalam mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Kata kunci : sol gel spin coating, DSSC, bandgap dan metode Touc Plot
6
PROTOTYPE MANUFACTURING DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(DSSC) USING ANTHOCYANIN EXTRACT POMEGRANATE FRUIT
(PUNICA GRANATUM) WITH SOL GEL SPIN COATING METHOD
ABSTRACT
The performance of DSSC solar cell based on TiO2 has been researched by using
antocyanins extract pomegranate fruits as dye or fotosensitizer. TiO2 thin films
have been deposited on glass substrate ITO. TiO2 thin films were growth using
sol-gel spin coating method by variation times about 2 minutes, 4 minutes, 6
minutes, 8 minutes and 10 minutes at speed of 1500 rpm. UV-Vis, Scanning
Electron Microscope (SEM), X-Ray Difraction (XRD) and current-voltage (I-V)
characteristic test techniques have been used to investigate the optical properties,
morphology, grain size and efficiency of DSSC. The optical bandgap thin films
was obtained using the Plot Touc method. UV-Vis characterization shows the
highest absorption is 0,7392 with optical bandgap 3,2 eV at 2 minutes deposition.
Based on measurement result of current-voltage (I-V) characteristic, it knows that
the highest conversion efficiency 1,778%. This condition supports DSSC
performance convert sunlight to electrical energy.
Keywords: sol gel spin coating method, DSSC, bandgap and touc plot method
7
λ
ω
ns
n
d
α
Panjang Gelombang
Kecepatan Angular
Indeks Bias Kaca
Indeks Bias Lapisan Tipis
Ketebalan Lapisan Tipis
Koofisien Absorpsi
Frekuensi Cahaya
21
22
33
33
33
36
35
υ
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Listrik merupakan kebutuhan esensial yang sangat dominan kegunaannya
dalam kehidupan manusia, mulai dari pasokan rumah tangga sampai pasokan
industri.
Kebutuhan listrik yang terus meningkat menimbulkan permasalahan
krisis energi, karena sumber energi bertumpu pada energi fosil. Sumber energi
fosil merupakan energi yang terbatas ketersediaannya dan memerlukan waktu
yang lama untuk memperbaharuinya sehingga bersifat unreneweble energy
resources.
Selain itu, penggunaan energi fosil juga menimbulkan polusi
lingkungan yang dapat membahayakan kehidupan manusia.
Oleh karena itu
18
manusia berupaya menemukan sumber energi alternatif sebagai pengganti energi
fosil.
Berbagai macam penemuan energi alternatif yang diusahakan oleh manusia
seperti energi angin, geotermal, hidropower, biomassa, hidrogen, energi samudra
dan energi matahari. Indonesia merupakan negara yang terletak di sepanjang
garis khatulistiwa dengan intensitas penyinaran matahari yang tinggi per tahunnya,
tentu pemanfaatan energi matahari menjadi pilihan yang tepat dan efektif.
Pemanfaatan energi matahari dapat dikemas dalam bentuk piranti sel surya.
Sel surya merupakan piranti yang mampu mengkonversi energi matahari
menjadi energi listrik. Sel surya yang beredar di pasaran merupakan sel surya
berbasis silikon.
Silikon merupakan material semikonduktor yang banyak
digunakan untuk piranti elektronika lainnya. Sel surya berbasis silikon relatif
mahal mulai dari bahan baku silikon murni dengan jumlah ketersediaan yang
terbatas dan proses fabrikasi dengan teknologi tinggi yang melibatkan bahanbahan kimia yang berbahaya (Chen, dkk, 2007). Untuk menekan biaya produksi
dan menghindari bahan yang berbahaya dalam produksi sel surya dilakukan
peralihan dari sel surya konvensional berbasis silikon ke Sel Surya Tersensitasi
Pewarna (SSTP) atau Dye Sensitized Solar Cell (DSSC).
DSSC memiliki komponen yang berbeda dengan sel surya berbasis silikon
mulai dari semikonduktor yang digunakan sebagai pengganti silikon, substrat, dye
sebagai fotosenstizer, bahan organik maupun bahan anorganik dan metode
produksi. Semikonduktor silikon yang umumnya digunakan dalam aplikasi sel
surya dapat digantikan oleh TiO2.
TiO2 (Titanium Oxide) merupakan
19
semikonduktor ekstrinsik tipe-n paling stabil terhadap fotokorosi hampir dalam
semua larutan kecuali larutan yang sangat asam atau mengandung florida (Brown,
1992; Smestad, 2000). Selain itu, TiO2 (Titanium Oxide) mempunyai harga lebih
murah, tidak beracun, banyak dijumpai dan bersifat inert (Graetzel, 2003).
Substrat tempat penumbuhan TiO2 dengan menggunakan kaca konduktif
ITO (Indium Tin Oxide) karena paling ideal memberikan efisiensi sel surya yang
relatif konstan dan realibel sebagai tempat penumbuhan TiO2 (Pancaningtyas,
2009). Penumbuhan lapisan tipis TiO2 dilakukan dengan menggunakan metode
sol gel spin coating, yang memanfaatkan reaksi gaya sentripetal sehinggga pasta
TiO2 terdistribusi merata di permukaan substrat yang membentuk lapisan tipis.
Ketebalan dari lapisan tipis TiO2 dapat dikontrol dengan mengoptimasi waktu
deposisi atau lamanya perputaran spin coater.
Dye merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi nilai arus yang
dihasilkan sel surya DSSC.
Pada penelitian ini, dye yang digunakan dalam
pembuatan DSSC adalah ekstrak buah delima, yang memiliki kandungan
antosianin yang tinggi. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Surimanne
(2006), antosianin buah delima menunjukkan pita serapan cahaya tampak dengan
puncak 510 nm dan mampu menghasilkan arus (50,5) mA/cm2 dan tegangan
(30040 mV). Selain itu, sel surya dengan ekstrak buah delima menggunakan
teknik doctor blade mampu menghasilkan nilai arus 0,07 mA dan teruji sebagai
penyerap cahaya dalam rentang cahaya tampak (visible light) (Septina, 2007).
Dalam penelitian Bahadur (2012), ekstrak buah delima dilapisi pada area seluas 4
cm2 mampu menghasilkan arus dan tegangan sebesar 1,55 mA dan 550 mV.
20
Penggunaan TiO2 dengan ukuran nanopartikel, dapat memperluas
permukaan absorpsi dye ekstrak buah delima pada lapisan tipis. TiO2 yang rata
dapat meningkatkan daya absorbsi terhadap cahaya matahari. Peningkatan jumlah
absorpsi cahaya matahari, akan meningkatkan jumlah elektron yang mengalir.
Banyaknya elektron yang mengalir meningkatkan nilai arus yang dihasilkan.
1.2. Ruang Lingkup dan Batasan Masalah
Pada penelitian ini, dilakukan pengamatan pengaruh waktu putar spin
coater terhadap ketebalan lapisan tipis yang terdeposisi di atas kaca konduktif
ITO.
Pengamatan tingkat absorpsi lapisan tipis terhadap cahaya matahari
menggunakan karakterisasi spektrofotometer UV-Vis. Tingkat kristal dan ukuran
kristal dari lapisan tipis dengan menggunakan karakterisasi XRD, sedangkan
morfologi dari permukaan dilihat menggunakan SEM.
1.3. Hipotesis
Lapisan tipis TiO2 dideposisi menggunakan metode sol gel spin coating
dengan variasi waktu putar spin coater. Peningkatan waktu putar spin coater
selama proses deposisi dapat menghasilkan ketebalan lapisan yang halus dan rata.
Ketebalan yang halus dan rata meningkatkan jumlah dye yang diserap lapisan
tersebut. Selain itu, permukaan lapisan tipis yang halus dan rata dapat mengurangi
hamburan foton yang datang sehingga meningkatkan absorpsi lapisan tipis.
Absorpsi yang tinggi dari lapisan tipis terhadap cahaya matahari meningkatkan
jumlah elektron tereksitasi, sehingga mobilitas elektron semakin tinggi.
21
Tingginya mobilitas elektron yang terjadi memicu besarnya arus yang dihasilkan
oleh prototipe sel surya. Hal ini berimplikasi pada tingginya nilai efisiensi yang
dihasilkan.
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan yang diharapkan dari penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini dapat menghasilkan prototipe Dye Sensitized Solar Cell yang
dapat menghasilkan energi listrik.
2. Mengetahui pengaruh waktu putar spin coater terhadap ketebalan lapisan
tipis yang dihasilkan.
1.5. Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan, dapat diperoleh manfaat sebagai berikut :
1.
Meningkatkan efisiensi sel surya jenis DSSC sebagai salah satu energi
alternatif.
2.
Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh dari lingkungan sekitar.
3.
Sebagai referensi lanjutan bagi penelitian selanjutnya.
22
MENGGUNAKAN EKSTRAK ANTOSIANIN BUAH DELIMA
(PUNICA GRANATUM) DENGAN METODE SOL-GEL-SPIN
COATING
SKRIPSI
Okti Mulyani
0910442083
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2013
1
PEMBUATAN PROTOTIPE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
MENGGUNAKAN EKSTRAK ANTOSIANIN BUAH DELIMA (PUNICA
GRANATUM) DENGAN METODE SOL GEL SPIN COATING
ABSTRAK
Kinerja sel surya TiO2 untuk menghasilkan energi listrik telah diteliti dengan
menggunakan ekstrak antosianin buah delima sebagai dye atau fotosensitizer.
Lapisan tipis TiO2 dideposisi di atas substrat kaca ITO. Penumbuhan lapisan tipis
TiO2 menggunakan metode sol-gel-spin coating dengan variasi waktu 2 menit, 4
menit, 6 menit, 8 menit dan 10 menit pada kecepatan 1500 rpm. UV-Vis,
Scanning Electron Microscope (SEM), X-Ray Difraction (XRD) dan uji
karakteristik I-V merupakan cara yang digunakan untuk mepelajari sifat optik,
morfologi ukuran kristal dan efisiensi DSSC. Bandgap lapisan tipis ditentukan
menggunakan metode Touc Plot. Karakterisasi UV-Vis menunjukkan absorpsi
paling besar 0,7293 dengan bandgap 3,2 eV diperoleh dari lapisan tipis TiO2
yang dideposisi selama 2 menit. Berdasarkan pengukuran arus dan tegangan pada
penelitian ini menunjukkan nilai efisiensi tertinggi yang mampu dicapai DSSC
menggunakan dye buah delima 1,778%. Hal ini dapat menunjang kinerja DSSC
dalam mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Kata kunci : sol gel spin coating, DSSC, bandgap dan metode Touc Plot
6
PROTOTYPE MANUFACTURING DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(DSSC) USING ANTHOCYANIN EXTRACT POMEGRANATE FRUIT
(PUNICA GRANATUM) WITH SOL GEL SPIN COATING METHOD
ABSTRACT
The performance of DSSC solar cell based on TiO2 has been researched by using
antocyanins extract pomegranate fruits as dye or fotosensitizer. TiO2 thin films
have been deposited on glass substrate ITO. TiO2 thin films were growth using
sol-gel spin coating method by variation times about 2 minutes, 4 minutes, 6
minutes, 8 minutes and 10 minutes at speed of 1500 rpm. UV-Vis, Scanning
Electron Microscope (SEM), X-Ray Difraction (XRD) and current-voltage (I-V)
characteristic test techniques have been used to investigate the optical properties,
morphology, grain size and efficiency of DSSC. The optical bandgap thin films
was obtained using the Plot Touc method. UV-Vis characterization shows the
highest absorption is 0,7392 with optical bandgap 3,2 eV at 2 minutes deposition.
Based on measurement result of current-voltage (I-V) characteristic, it knows that
the highest conversion efficiency 1,778%. This condition supports DSSC
performance convert sunlight to electrical energy.
Keywords: sol gel spin coating method, DSSC, bandgap and touc plot method
7
λ
ω
ns
n
d
α
Panjang Gelombang
Kecepatan Angular
Indeks Bias Kaca
Indeks Bias Lapisan Tipis
Ketebalan Lapisan Tipis
Koofisien Absorpsi
Frekuensi Cahaya
21
22
33
33
33
36
35
υ
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Listrik merupakan kebutuhan esensial yang sangat dominan kegunaannya
dalam kehidupan manusia, mulai dari pasokan rumah tangga sampai pasokan
industri.
Kebutuhan listrik yang terus meningkat menimbulkan permasalahan
krisis energi, karena sumber energi bertumpu pada energi fosil. Sumber energi
fosil merupakan energi yang terbatas ketersediaannya dan memerlukan waktu
yang lama untuk memperbaharuinya sehingga bersifat unreneweble energy
resources.
Selain itu, penggunaan energi fosil juga menimbulkan polusi
lingkungan yang dapat membahayakan kehidupan manusia.
Oleh karena itu
18
manusia berupaya menemukan sumber energi alternatif sebagai pengganti energi
fosil.
Berbagai macam penemuan energi alternatif yang diusahakan oleh manusia
seperti energi angin, geotermal, hidropower, biomassa, hidrogen, energi samudra
dan energi matahari. Indonesia merupakan negara yang terletak di sepanjang
garis khatulistiwa dengan intensitas penyinaran matahari yang tinggi per tahunnya,
tentu pemanfaatan energi matahari menjadi pilihan yang tepat dan efektif.
Pemanfaatan energi matahari dapat dikemas dalam bentuk piranti sel surya.
Sel surya merupakan piranti yang mampu mengkonversi energi matahari
menjadi energi listrik. Sel surya yang beredar di pasaran merupakan sel surya
berbasis silikon.
Silikon merupakan material semikonduktor yang banyak
digunakan untuk piranti elektronika lainnya. Sel surya berbasis silikon relatif
mahal mulai dari bahan baku silikon murni dengan jumlah ketersediaan yang
terbatas dan proses fabrikasi dengan teknologi tinggi yang melibatkan bahanbahan kimia yang berbahaya (Chen, dkk, 2007). Untuk menekan biaya produksi
dan menghindari bahan yang berbahaya dalam produksi sel surya dilakukan
peralihan dari sel surya konvensional berbasis silikon ke Sel Surya Tersensitasi
Pewarna (SSTP) atau Dye Sensitized Solar Cell (DSSC).
DSSC memiliki komponen yang berbeda dengan sel surya berbasis silikon
mulai dari semikonduktor yang digunakan sebagai pengganti silikon, substrat, dye
sebagai fotosenstizer, bahan organik maupun bahan anorganik dan metode
produksi. Semikonduktor silikon yang umumnya digunakan dalam aplikasi sel
surya dapat digantikan oleh TiO2.
TiO2 (Titanium Oxide) merupakan
19
semikonduktor ekstrinsik tipe-n paling stabil terhadap fotokorosi hampir dalam
semua larutan kecuali larutan yang sangat asam atau mengandung florida (Brown,
1992; Smestad, 2000). Selain itu, TiO2 (Titanium Oxide) mempunyai harga lebih
murah, tidak beracun, banyak dijumpai dan bersifat inert (Graetzel, 2003).
Substrat tempat penumbuhan TiO2 dengan menggunakan kaca konduktif
ITO (Indium Tin Oxide) karena paling ideal memberikan efisiensi sel surya yang
relatif konstan dan realibel sebagai tempat penumbuhan TiO2 (Pancaningtyas,
2009). Penumbuhan lapisan tipis TiO2 dilakukan dengan menggunakan metode
sol gel spin coating, yang memanfaatkan reaksi gaya sentripetal sehinggga pasta
TiO2 terdistribusi merata di permukaan substrat yang membentuk lapisan tipis.
Ketebalan dari lapisan tipis TiO2 dapat dikontrol dengan mengoptimasi waktu
deposisi atau lamanya perputaran spin coater.
Dye merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi nilai arus yang
dihasilkan sel surya DSSC.
Pada penelitian ini, dye yang digunakan dalam
pembuatan DSSC adalah ekstrak buah delima, yang memiliki kandungan
antosianin yang tinggi. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Surimanne
(2006), antosianin buah delima menunjukkan pita serapan cahaya tampak dengan
puncak 510 nm dan mampu menghasilkan arus (50,5) mA/cm2 dan tegangan
(30040 mV). Selain itu, sel surya dengan ekstrak buah delima menggunakan
teknik doctor blade mampu menghasilkan nilai arus 0,07 mA dan teruji sebagai
penyerap cahaya dalam rentang cahaya tampak (visible light) (Septina, 2007).
Dalam penelitian Bahadur (2012), ekstrak buah delima dilapisi pada area seluas 4
cm2 mampu menghasilkan arus dan tegangan sebesar 1,55 mA dan 550 mV.
20
Penggunaan TiO2 dengan ukuran nanopartikel, dapat memperluas
permukaan absorpsi dye ekstrak buah delima pada lapisan tipis. TiO2 yang rata
dapat meningkatkan daya absorbsi terhadap cahaya matahari. Peningkatan jumlah
absorpsi cahaya matahari, akan meningkatkan jumlah elektron yang mengalir.
Banyaknya elektron yang mengalir meningkatkan nilai arus yang dihasilkan.
1.2. Ruang Lingkup dan Batasan Masalah
Pada penelitian ini, dilakukan pengamatan pengaruh waktu putar spin
coater terhadap ketebalan lapisan tipis yang terdeposisi di atas kaca konduktif
ITO.
Pengamatan tingkat absorpsi lapisan tipis terhadap cahaya matahari
menggunakan karakterisasi spektrofotometer UV-Vis. Tingkat kristal dan ukuran
kristal dari lapisan tipis dengan menggunakan karakterisasi XRD, sedangkan
morfologi dari permukaan dilihat menggunakan SEM.
1.3. Hipotesis
Lapisan tipis TiO2 dideposisi menggunakan metode sol gel spin coating
dengan variasi waktu putar spin coater. Peningkatan waktu putar spin coater
selama proses deposisi dapat menghasilkan ketebalan lapisan yang halus dan rata.
Ketebalan yang halus dan rata meningkatkan jumlah dye yang diserap lapisan
tersebut. Selain itu, permukaan lapisan tipis yang halus dan rata dapat mengurangi
hamburan foton yang datang sehingga meningkatkan absorpsi lapisan tipis.
Absorpsi yang tinggi dari lapisan tipis terhadap cahaya matahari meningkatkan
jumlah elektron tereksitasi, sehingga mobilitas elektron semakin tinggi.
21
Tingginya mobilitas elektron yang terjadi memicu besarnya arus yang dihasilkan
oleh prototipe sel surya. Hal ini berimplikasi pada tingginya nilai efisiensi yang
dihasilkan.
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan yang diharapkan dari penelitian ini adalah :
1. Penelitian ini dapat menghasilkan prototipe Dye Sensitized Solar Cell yang
dapat menghasilkan energi listrik.
2. Mengetahui pengaruh waktu putar spin coater terhadap ketebalan lapisan
tipis yang dihasilkan.
1.5. Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan, dapat diperoleh manfaat sebagai berikut :
1.
Meningkatkan efisiensi sel surya jenis DSSC sebagai salah satu energi
alternatif.
2.
Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh dari lingkungan sekitar.
3.
Sebagai referensi lanjutan bagi penelitian selanjutnya.
22