139 ashari bayu prasada
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Memanfaatkan
Ekstrak Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana
Sebagai Fotosensitizer
ASHARI BAYU PRASADA1), CARI2,*), AGUS SUPRIYANTO2), SRI SUMARDIASIH3)
Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret. Jl. Ir. Sutami 36A
Kentingan Surakarta
E-mail: [email protected]
TEL: 085254893515
ABSTRAK: Telah dilakukan pembuatan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan
memanfaatkan ekstrak Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana sebagai
fotosensitizer. Sel surya tersensitisasi dye ini terdiri dari sepasang substrat kaca FTO yang
saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan
dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-,I3-) yang kemudian disusun dengan struktur sandwich. Pada
elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi
dye sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada counter elektroda dilapisi dengan lapisan
platina. Proses ekstraksi dye dilakukan dengan melarutkan 10 gram bahan ke dalam campuran
pelarut ethanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan (25:4:21). Uji absorbansi dye
menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25, uji konduktivitas dye menggunakan two
point probe ElKahfi 100, dan uji karakterisasi arus dan tegangan (I-V) DSSC menggunakan
Keithley 2602A. Hasil pengujian menunjukkan bahwa efisiensi terbesar 0,026% terdapat pada
dye Terminalia bellirica.
Kata Kunci: Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, Bixa orellana, Fotosensitizer.
PENDAHULUAN
Sel surya nanokristal semikonduktor TiO2 tersensitisasi dye dikembangkan sebagai
konsep alternatif bagi piranti fotovoltaik konvensional berbasis p-n silikon. Sistem sel
surya ini pertama kali dikembangkan oleh Gratzel et al. sehingga disebut sel Gratzel.
Beberapa keuntungan sistem sel surya tersensitisasi dye ini adalah proses fabrikasinya
lebih mudah dan sederhana tanpa menggunakan peralatan canggih dan mahal sehingga
biaya pembuatannya dapat ditekan (Huang et al., 2007). Disamping itu, bahan dasarnya
(seperti TiO2) mudah diperoleh di pasaran dengan harga relatif murah. Pada penelitian
yang pernah dilakukan, dye (pewarna) dari ruthenium complex menghasilkan efisiensi
lebih dari 10%. Tetapi sangat mahal dan tidak mudah dipreparasi sebagai material aktif
sel surya. Sehingga diperlukan zat pewarna alami yang nilai serapannya tinggi untuk
menggantikan ruthenium complex tersebut. Karakterisasi penting dari bahan dye yang
digunakan yaitu mampu menyerap spektrum cahaya yang lebar dan cocok dengan pita
energi TiO2 (Rahman dan Prajitno, 2013).
Baru-baru ini, penelitian telah difokuskan pada pewarna yang mudah diperoleh di
alam sebagai fotosensitizer karena koefisien penyerapan yang besar, efisiensi
pemanenan cahaya yang tinggi, biaya rendah, keramahan persiapan dan lingkungan
yang mudah. Penelitian berkembang ke arah pencarian pewarna alami yang diekstrak
dari bunga, daun, dan buah-buahan (Zhou et al., 2011). Adapun pada penelitian ini
digunakan kulit joho (Terminalia bellirica), kayu manis (Cinnamomum verum), dan
kesumba (Bixa orellana) yang telah diekstrak dan dikarakterisasi nilai absorbansinya.
Dengan harapan dapat dijadikan sebagai tolak ukur dalam pemanfaatanya sebagai dye
sensitizer pada sel surya organik.
Sel surya TiO2 tersensitisasi dye terdiri dari lapisan nanokristal TiO2 berpori
sebagai fotoanoda, dye sebagai sensitizer, elektrolit redoks, dan elektroda lawan (katoda)
yang diberi lapisan katalis. Struktur sel surya tersensitisasi dye berbentuk struktur
sandwich, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 tersensitisasi dan elektroda lawan
terkatalisasi mengapit elektrolit (Lie t al., 2006). Prinsip kerja sel surya TiO2
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-7
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
tersensitisasi dye ditunjukkan secara skematik pada Gambar 1. Ketika foton dengan
energi lebih besar daripada jarak level HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dan
level LUMO (Lower Unoccupied Molecular Orbital) pada molekul dye, mengakibatkan
elektron tereksitasi ke level HOMO dan menghasilkan dye teroksidasi (D*) pada level
LUMO. Elektron-elektron tersebut terinjeksi ke pita konduksi TiO2 dan mengalir
menuju rangkaian luar sehingga menghasilkan arus listrik. Dye yang teroksidasi
mengakibatkan reaksi oksidasi iodide (I-) menjadi triiodida (I3-) di dalam elektrolit.
Elektron-elektron selanjutnya masuk kembali ke dalam sel melalui elektroda lawan dan
menginduksi reaksi reduksi triiodida (I3-) menjadi iodide (I-) di dalam sel. Secara
keseluruhan, prinsip TiO2 tersensitisasi dye melibatkan beberapa reaksi kimia secara
berkesinambungan hingga membentuk siklus (Smestad dan Gratzel, 1998):
Gambar 1. Skema prinsip kerja sel surya TiO2 tersensitisasi dye (Irmansyah, 2008)
Ketika sel surya dikenai cahaya, maka akan memiliki karakteristik arus dan
tegangan seperti pada Gambar 2. Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika
mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya untuk memproduksi
tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban pada waktu yang sama.
Gambar 2. Kurva I-V Sel Surya (Soga, 2006)
Gambar 2 memperlihatkan tegangan open-circuit (Voc), arus short-circuit (Isc), dan
tegangan maksimum (Pmax) = VMPP*IMPP. Ketika sel dalam kondisi short-circuit, arus
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-8
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
maksimum atau arus short-circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open-circuit
tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut
tegangan open-circuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan
maksimum disebut titik daya maksimum (Pmax). Karakteristik lain dari sel surya adalah
Fill Factor (FF) yaitu perbandingan antara daya maksimum terhadap daya teoritis.
FF =
(1)
Sementara nilai efisiensinya diperoleh dari perbandingan antara daya maksimum
dengan daya masukan dari sel surya
=
=
( )
(2)
Nilai efisiensi ini menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi
sel surya. Efisiensi dari sel surya tergantung pada temperatur dari sel dan yang lebih
penting lagi adalah kualitas illuminasi. Kondisi standar yang digunakan untuk menguji
sel surya dengan intensitas cahaya 1000 W/m2 distribusi spektrum dari pancaran
matahari (Green dan Martin, 1982).
METODE PENELITIAN
1.
Pembuatan Pasta TiO2 Nano
TiO2 serbuk nano sebanyak 0,5 gram dilarutkan dalam 2 ml ethanol kemudian
diaduk menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Pasta
TiO2 yang sudah terbentuk dimasukkan ke dalam botol yang dilapisi aluminium foil dan
disimpan pada tempat yang terhindar dari sinar matahari secara langsung untuk
mengurangi proses penguapan.
2.
Pembuatan Ekstrak Organik Alam
Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana masing-masing
ditimbang menggunakan timbangan digital sebanyak 10 gram. Selanjutnya masingmasing bahan digerus dan dihaluskan menggunakan mortar. Masing-masing bahan
yang sudah halus dilarutkan ke dalam campuran pelarut ethanol, asam asetat, dan
aquades dengan perbandingan (25:4:21) kemudian diaduk selama 60 menit
menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan putar 300 rpm pada suhu 60OC. Setelah
bahan terlarutkan, lalu didiamkan selama 24 jam dan disaring menggunakan kertas
saring no.42. Hasil ekstraksi disimpan dalam wadah tertutup dan terlindung dari sinar
matahari.
3.
Pembuatan Elektrolit
Natrium iodide (NaI) sebanyak 2 gram berbentuk padatan dicampur ke dalam 3,68
ml acetonitrile ditambah 1 ml Propylene carbonate. Kemudian dalam larutan tersebut
ditambahkan 14,56 ml Polyethylene glycol kemudian diaduk, selanjutnya ke dalam
larutan tersebut ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0,2 gram kemudian diaduk
menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Larutan
elektrolit yang sudah jadi, disimpan dalam wadah tertutup yang dilapisi aluminium foil.
4.
Pembuatan Elektroda Lawan
Elektroda lawan berupa kaca konduktif FTO yang telah dilapisi lapisan tipis platina
(Hexachloroplatinic (IV) acid 10%). Adapun langkah pembuatan elektroda lawan yatu 1
ml Hexachloroplatinic (IV) acid 10% dicampur dengan 207 ml isopropanol kemudian
diaduk menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Kaca
FTO dipanaskan menggunakan hotplate pada suhu 250oC selama 15 menit kemudian
ditetesi larutan platina sebanyak 3 ml di atas area aktif substrat kaca FTO dengan
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-9
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
metode tetes. Kaca yang telah ditetesi platina kemudian didinginkan hingga mencapai
suhu ruangan.
5.
Pembuatan Elektroda Kerja
Elektroda kerja dibuat dari kaca konduktif FTO yang di atasnya dideposisikan
pasta TiO2 nano dengan teknik spin coating. Pada kaca FTO berukuran 2 x 2 cm
dibentuk area untuk pendeposisian TiO2 berukuran 1 x 1 cm di atas permukaan
konduktif. Sisi FTO ditempel selotip sebagai pembatas. Pasta TiO 2 diteteskan di atas
kaca FTO yang sudah direkatkan di dalam spinner, kemudian distirrer dengan
kecepatan 300 rpm dengan waktu yang sudah ditentukan. Kaca FTO yang telah
terlapisi TiO2 tersebut dipanaskan menggunakan furnace pada suhu 450OC selama 30
menit, kemudian didinginkan sampai mencapai suhu ruangan.
6.
Pembuatan Sandwich DSSC
Susunan lapisan DSSC terdiri dari sepasang substrat kaca FTO yang saling
berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan
dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-,I3-) yang kemudian disusun dengan struktur
sandwich. Pada elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai
fotoanoda, serta disensitisasi dye sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada
counter elektroda dilapisi dengan lapisan platina.
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Spektrum absorbansi ekstrak organik alam
Sebelum bahan digunakan sebagai sensitizer, ekstrak Terminalia bellirica,
Cinnamomum verum, dan Bixa orellana dikarakterisasi menggunakan Spektrofotometer
UV-Visible Lambda 25 dengan rentang panjang gelombang yang digunakan 300-800 nm.
1
Term inalia bellirica
C innam om um verum
Bixa orellana
Absorbansi (a.u)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
300
400
500
600
700
800
Panjang G elom bang (nm )
Gambar 3. Kurva absorbansi dye Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan
Bixa orellana
Gambar 3 menunjukkan bahwa puncak absorbansi dye Terminalia bellirica berada
pada panjang gelombang 367 nm dengan absorbansi maksimum sebesar 0,523 a.u.
Untuk dye Cinnaomum verum, puncak absorbansi berada pada panjang gelombang 447
nm dengan absorbansi maksimum sebesar 0,572 a.u. Selanjutnya untuk dye Bixa
orellana, puncak absorbansi berada pada panjang gelombang 328 nm dengan absorbansi
maksimum sebesar 0,754 a.u. Spektrum absorbansi dari ketiga bahan dye yang
digunakan menunjukkan bahwa bahan tersebut mampu menyerap cahaya pada rentang
panjang gelombang ultraviolet dan cahaya tampak sehingga dapat digunakan sebagai
material aktif sel surya DSSC.
2.
Konduktivitas ekstrak organik alam
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-10
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Karakteristik konduktivitas dye diukur menggunakan Elkahfi 100/I-V meter dalam
keadaan gelap dan di bawah penyinaran 250 mW/cm2.
0.0035
0.0035
0.0035
Gelap
Terang
Gelap
Terang
Gelap
Terang
0.003
0.003
0.003
0.0025
0.0025
0.0015
Arus (A)
Arus (A)
0.002
0.002
0.002
0.0015
0.0015
0.001
0.001
0.0005
0.001
0
0
2
4
6
8
10
0.0005
0
0.0005
0
Tegangan (V)
(a)
2
4
6
8
0
10
2
4
6
8
10
Tegangan (V)
(b)
(c)
Tegangan (V)
Gambar 4. Kurva konduktivitas (a) dye Terminalia bellirica, (b) dye Cinnamomum
verum, (c) dye Bixa orellana
Gambar 4 menunjukkan nilai konduktivitas dari dye Terminalia bellirica pada
keadaan gelap sebesar 2,63 x 10-2
m-1 dan menurun menjadi 9,53 x 10-3
m-1 pada
keadaan disinari cahaya. Untuk dye Cinnamomum verum, nilai konduktivitas pada
keadaan gelap 9,15 x 10-2
m-1 dan meningkat menjadi 1,06 x 10-1
m-1 pada
keadaan disinari cahaya. Selanjutnya untuk dye Bixa orellana, nilai konduktivitas pada
m-1 dan menurun menjadi 1,33 x 10-2
m-1 pada keadaan
keadaan gelap 1,57 x 10-2
disinari cahaya. Nilai konduktivitas dari dye Terminalia bellirica dan Bixa orellana
menurun pada saat disinari cahaya oleh karena resistansi larutan yang besar.
3.
Karakteristik I-V DSSC
Karakterisasi arus dan tegangan (I-V) adalah suatu metode untuk mengetahui
seberapa besar kemampuan DSSC dapat mengkonversi cahaya menjadi energi listrik.
Pengukuran menggunakan Keithley 2602A dilakukan pada keadaan gelap dan terang di
bawah penyinaran lampu halogen dengan intensitas 1000 W/m2. Hasil pengujian arus
dan tegangan dengan perendaman selama 24 jam.
0.005
0.0001
Gelap
Terminalia bellirica
Cinnamomum verum
Bixa orellana
5 10
Arus (mA)
0.004
0.003
-5
0
-0.1
0
-5 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-5
Imax
0.002
Arus (mA)
Arus (A)
0.0025
-0.0001
Vmax
Isc
Voc
0.001
-0.00015
0
-0.5
0
-0.001
0.5
1
-0.0002
Terminalia bellirica
Cinnamomum verum
Bixa orellana
-0.00025
Tegangan (mV)
Tegangan (mV)
(a)
(b)
Gambar 5. (a) Kurva I-V DSSC dye organik alam, (b) Fill Factor DSSC dye organik
alam
Berdasarkan Gambar 5 (b) dapat dilihat bahwa luasan area sel surya (Fill Factor)
terbesar terdapat pada dye Terminalia bellirica, dengan nilai Voc pada 4,0 x 10-1 mV dan
nilai Isc pada 1,52 x 10-4 mA. Hasil perolehan efisiensi dari dye Terminalia bellirica,
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-11
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Cinnamomum verum, dan Bixa orellana dengan perendaman 24 jam dapat ditunjukkan
pada Tabel 1.
No.
Tabel 1. Performa sel surya menggunakan dye organik alam
Dye Source
Terminalia bellirica
1
VOC (mV)
ISC (mA)
VMax (mV)
IMax (mA)
(%)
4,0 x 10-1
1,52 x 10-4
2,65 x 10-1
9,97 x 10-5
0,026
2,30 x 10-1
7,9 x 10-5
1,40 x 10-1
4,5 x 10-5
0,002
4,45 x 10-1
1,15 x 10-4
3,10 x 10-1
7,15 x 10-5
0,022
Cinnamomum verum
2
Bixa orellana
3
Perolehan nilai efisiensi sel surya dapat dihitung menggunakan persamaan 2.
Berdasarkan Tabel 1 dan Gambar 2, dapat disimpulkan bahwa performa DSSC terbaik
terdapat pada penggunaan dye Terminalia bellirica dengan nilai efisiensi sebesar
0,026%. Secara keseluruhan, nilai efisiensi dari ketiga bahan organik yang digunakan
masih sangat kecil (di bawah 1%). Ada dua cara yang dapat dilakukan untuk
meningkatkan performa DSSC. Pertama, mengganti elektroda lawan dengan polyaniline
(PANI), oleh karena PANI dapat meningkatkan efisiensi 6,90% dari penggunaan platina
menjadi 7,15% (Qinghua et al., 2008). Kedua, menggunakan jenis elektrolit yang
mempunyai nilai viskositas yang rendah dari polyethylene gycol seperti PEO polymer
gel (Duangkaew et al., 2010).
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sel surya DSSC telah berhasil
dibuat dengan memanfaatkan dye Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa
orellana sebagai fotosensitizer. Spektrum absorbansi dari ketiga bahan dye yang
digunakan menunjukkan bahwa dye tersebut mampu menyerap cahaya pada rentang
panjang gelombang ultraviolet dan cahaya tampak sehingga dapat digunakan sebagai
material aktif sel surya DSSC. Nilai konduktivitas terbesar terdapat pada dye
Cinnamomum verum, dan perolehan efisiensi terbesar terdapat pada dye Terminalia
bellirica dengan besar efisiensi 0,026%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada pengelola Laboratorium Fisika Material
Fakultas MIPA UNS Surakarta dan dukungan dari LPPM Hibah Peneliti Utama
Sebagai Rujukan Hibah MRG-UNS dengan No. 343/UN27/HK/2016 Tanggal 07 April
2016.
DAFTAR RUJUKAN
Duangkaew, P., Chindaduang, A., Tumcharem, 2010. Efficiency and Stability
Enhanchement of Dye Sensitized Solar cell using PEO Polymer Gel and ImidazoliumISBN 978-602-71279-1-9
FEL-12
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Based Ionic Liquid Electrolyte. Science Jurnal Ubonratchathani University. vol. 1, No.
1 (January-June), pp. 9-14.
Green, Martin, A., 1982. Solar Cells Operating Principles Technology and System
Application. Prentice Hall, Inc, Evylewood Cliffs N.J.
Huang, M.L., Yang, H.X., Wu, J.H., Lin, J.M., Lan, Z., Li, P.J., Hao, S.C., Han, P., Jiang,
Q.W., 2007. Preparation of a Novel Polymer Gel Electrolyte Gel based on N-methylquinoline Iodine and Its Application in Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cell.
J.Sol-Gel Sci. Techn. 42 (27): 65-70.
Irmansyah, Maddu, A., Zuhri, M., 2008. Fabrication and Characterization DyeSensitized Solar Cell based on TiO2/SnO2 Composit Electrode and Polymer Electrolite.
Jurnal ILMU DASAR, Vol. 9 No. 2, Juli 2008: 96-103.
Li, B., Wang, L., Kang, B., Wang, P., Qiu, Y., 2006. Review of Recent Progress in SolidState Dye-Sensitized Solar Cells. Sol. Energy Mater. Sol Cells. 90: 549-573.
Qinghua, Li., Jihua, Wu., Qunwei, Tang., Zhan, Lan., Pinjiang, Li., Jianming, Lin.,
Leqing, Fan., 2008. Application of Microporous Polyaniline Counter Electrode for DyeSensitized Solar Cells. Electrochemistry Communications. 10: 1299-1302.
Rahman, H. dan Prajitno, G., 2013. Pengaruh Pemberian Space (Bantalan) untuk
mendapatkan Kestabilan Arus dan Tegangan Prototipe DSSC dengan Ekstraksi Kulit
Buah Manggis (Garnicia mangostana L.) sebagai Dye Sensitizer. Jurnal Sains dan
Seni POMITS. Vol. 1 No. 2, 2301-928X.
Smestad, G.P. dan Gratzel, M., 1998. Demonstrating Electron and Nanotechnology.
J.Chem.Educ. 75 (6): 1-6.
Soga, T., 2006. Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion. Japan: Elseiver.
Zhou, H., Liqiong, W., Yurong, G., Tingli, M., 2011. Dye-Sensitized Solar Cells Using 20
Natural Dyes as Sensitizers. Journal of Photochemistry and Photobiology a
Chemistry. pp. 188-194.
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-13
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Memanfaatkan
Ekstrak Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana
Sebagai Fotosensitizer
ASHARI BAYU PRASADA1), CARI2,*), AGUS SUPRIYANTO2), SRI SUMARDIASIH3)
Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret. Jl. Ir. Sutami 36A
Kentingan Surakarta
E-mail: [email protected]
TEL: 085254893515
ABSTRAK: Telah dilakukan pembuatan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan
memanfaatkan ekstrak Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana sebagai
fotosensitizer. Sel surya tersensitisasi dye ini terdiri dari sepasang substrat kaca FTO yang
saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan
dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-,I3-) yang kemudian disusun dengan struktur sandwich. Pada
elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi
dye sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada counter elektroda dilapisi dengan lapisan
platina. Proses ekstraksi dye dilakukan dengan melarutkan 10 gram bahan ke dalam campuran
pelarut ethanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan (25:4:21). Uji absorbansi dye
menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25, uji konduktivitas dye menggunakan two
point probe ElKahfi 100, dan uji karakterisasi arus dan tegangan (I-V) DSSC menggunakan
Keithley 2602A. Hasil pengujian menunjukkan bahwa efisiensi terbesar 0,026% terdapat pada
dye Terminalia bellirica.
Kata Kunci: Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, Bixa orellana, Fotosensitizer.
PENDAHULUAN
Sel surya nanokristal semikonduktor TiO2 tersensitisasi dye dikembangkan sebagai
konsep alternatif bagi piranti fotovoltaik konvensional berbasis p-n silikon. Sistem sel
surya ini pertama kali dikembangkan oleh Gratzel et al. sehingga disebut sel Gratzel.
Beberapa keuntungan sistem sel surya tersensitisasi dye ini adalah proses fabrikasinya
lebih mudah dan sederhana tanpa menggunakan peralatan canggih dan mahal sehingga
biaya pembuatannya dapat ditekan (Huang et al., 2007). Disamping itu, bahan dasarnya
(seperti TiO2) mudah diperoleh di pasaran dengan harga relatif murah. Pada penelitian
yang pernah dilakukan, dye (pewarna) dari ruthenium complex menghasilkan efisiensi
lebih dari 10%. Tetapi sangat mahal dan tidak mudah dipreparasi sebagai material aktif
sel surya. Sehingga diperlukan zat pewarna alami yang nilai serapannya tinggi untuk
menggantikan ruthenium complex tersebut. Karakterisasi penting dari bahan dye yang
digunakan yaitu mampu menyerap spektrum cahaya yang lebar dan cocok dengan pita
energi TiO2 (Rahman dan Prajitno, 2013).
Baru-baru ini, penelitian telah difokuskan pada pewarna yang mudah diperoleh di
alam sebagai fotosensitizer karena koefisien penyerapan yang besar, efisiensi
pemanenan cahaya yang tinggi, biaya rendah, keramahan persiapan dan lingkungan
yang mudah. Penelitian berkembang ke arah pencarian pewarna alami yang diekstrak
dari bunga, daun, dan buah-buahan (Zhou et al., 2011). Adapun pada penelitian ini
digunakan kulit joho (Terminalia bellirica), kayu manis (Cinnamomum verum), dan
kesumba (Bixa orellana) yang telah diekstrak dan dikarakterisasi nilai absorbansinya.
Dengan harapan dapat dijadikan sebagai tolak ukur dalam pemanfaatanya sebagai dye
sensitizer pada sel surya organik.
Sel surya TiO2 tersensitisasi dye terdiri dari lapisan nanokristal TiO2 berpori
sebagai fotoanoda, dye sebagai sensitizer, elektrolit redoks, dan elektroda lawan (katoda)
yang diberi lapisan katalis. Struktur sel surya tersensitisasi dye berbentuk struktur
sandwich, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 tersensitisasi dan elektroda lawan
terkatalisasi mengapit elektrolit (Lie t al., 2006). Prinsip kerja sel surya TiO2
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-7
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
tersensitisasi dye ditunjukkan secara skematik pada Gambar 1. Ketika foton dengan
energi lebih besar daripada jarak level HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dan
level LUMO (Lower Unoccupied Molecular Orbital) pada molekul dye, mengakibatkan
elektron tereksitasi ke level HOMO dan menghasilkan dye teroksidasi (D*) pada level
LUMO. Elektron-elektron tersebut terinjeksi ke pita konduksi TiO2 dan mengalir
menuju rangkaian luar sehingga menghasilkan arus listrik. Dye yang teroksidasi
mengakibatkan reaksi oksidasi iodide (I-) menjadi triiodida (I3-) di dalam elektrolit.
Elektron-elektron selanjutnya masuk kembali ke dalam sel melalui elektroda lawan dan
menginduksi reaksi reduksi triiodida (I3-) menjadi iodide (I-) di dalam sel. Secara
keseluruhan, prinsip TiO2 tersensitisasi dye melibatkan beberapa reaksi kimia secara
berkesinambungan hingga membentuk siklus (Smestad dan Gratzel, 1998):
Gambar 1. Skema prinsip kerja sel surya TiO2 tersensitisasi dye (Irmansyah, 2008)
Ketika sel surya dikenai cahaya, maka akan memiliki karakteristik arus dan
tegangan seperti pada Gambar 2. Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika
mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya untuk memproduksi
tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban pada waktu yang sama.
Gambar 2. Kurva I-V Sel Surya (Soga, 2006)
Gambar 2 memperlihatkan tegangan open-circuit (Voc), arus short-circuit (Isc), dan
tegangan maksimum (Pmax) = VMPP*IMPP. Ketika sel dalam kondisi short-circuit, arus
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-8
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
maksimum atau arus short-circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open-circuit
tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut
tegangan open-circuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan
maksimum disebut titik daya maksimum (Pmax). Karakteristik lain dari sel surya adalah
Fill Factor (FF) yaitu perbandingan antara daya maksimum terhadap daya teoritis.
FF =
(1)
Sementara nilai efisiensinya diperoleh dari perbandingan antara daya maksimum
dengan daya masukan dari sel surya
=
=
( )
(2)
Nilai efisiensi ini menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi
sel surya. Efisiensi dari sel surya tergantung pada temperatur dari sel dan yang lebih
penting lagi adalah kualitas illuminasi. Kondisi standar yang digunakan untuk menguji
sel surya dengan intensitas cahaya 1000 W/m2 distribusi spektrum dari pancaran
matahari (Green dan Martin, 1982).
METODE PENELITIAN
1.
Pembuatan Pasta TiO2 Nano
TiO2 serbuk nano sebanyak 0,5 gram dilarutkan dalam 2 ml ethanol kemudian
diaduk menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Pasta
TiO2 yang sudah terbentuk dimasukkan ke dalam botol yang dilapisi aluminium foil dan
disimpan pada tempat yang terhindar dari sinar matahari secara langsung untuk
mengurangi proses penguapan.
2.
Pembuatan Ekstrak Organik Alam
Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana masing-masing
ditimbang menggunakan timbangan digital sebanyak 10 gram. Selanjutnya masingmasing bahan digerus dan dihaluskan menggunakan mortar. Masing-masing bahan
yang sudah halus dilarutkan ke dalam campuran pelarut ethanol, asam asetat, dan
aquades dengan perbandingan (25:4:21) kemudian diaduk selama 60 menit
menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan putar 300 rpm pada suhu 60OC. Setelah
bahan terlarutkan, lalu didiamkan selama 24 jam dan disaring menggunakan kertas
saring no.42. Hasil ekstraksi disimpan dalam wadah tertutup dan terlindung dari sinar
matahari.
3.
Pembuatan Elektrolit
Natrium iodide (NaI) sebanyak 2 gram berbentuk padatan dicampur ke dalam 3,68
ml acetonitrile ditambah 1 ml Propylene carbonate. Kemudian dalam larutan tersebut
ditambahkan 14,56 ml Polyethylene glycol kemudian diaduk, selanjutnya ke dalam
larutan tersebut ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0,2 gram kemudian diaduk
menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Larutan
elektrolit yang sudah jadi, disimpan dalam wadah tertutup yang dilapisi aluminium foil.
4.
Pembuatan Elektroda Lawan
Elektroda lawan berupa kaca konduktif FTO yang telah dilapisi lapisan tipis platina
(Hexachloroplatinic (IV) acid 10%). Adapun langkah pembuatan elektroda lawan yatu 1
ml Hexachloroplatinic (IV) acid 10% dicampur dengan 207 ml isopropanol kemudian
diaduk menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Kaca
FTO dipanaskan menggunakan hotplate pada suhu 250oC selama 15 menit kemudian
ditetesi larutan platina sebanyak 3 ml di atas area aktif substrat kaca FTO dengan
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-9
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
metode tetes. Kaca yang telah ditetesi platina kemudian didinginkan hingga mencapai
suhu ruangan.
5.
Pembuatan Elektroda Kerja
Elektroda kerja dibuat dari kaca konduktif FTO yang di atasnya dideposisikan
pasta TiO2 nano dengan teknik spin coating. Pada kaca FTO berukuran 2 x 2 cm
dibentuk area untuk pendeposisian TiO2 berukuran 1 x 1 cm di atas permukaan
konduktif. Sisi FTO ditempel selotip sebagai pembatas. Pasta TiO 2 diteteskan di atas
kaca FTO yang sudah direkatkan di dalam spinner, kemudian distirrer dengan
kecepatan 300 rpm dengan waktu yang sudah ditentukan. Kaca FTO yang telah
terlapisi TiO2 tersebut dipanaskan menggunakan furnace pada suhu 450OC selama 30
menit, kemudian didinginkan sampai mencapai suhu ruangan.
6.
Pembuatan Sandwich DSSC
Susunan lapisan DSSC terdiri dari sepasang substrat kaca FTO yang saling
berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan
dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-,I3-) yang kemudian disusun dengan struktur
sandwich. Pada elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai
fotoanoda, serta disensitisasi dye sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada
counter elektroda dilapisi dengan lapisan platina.
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Spektrum absorbansi ekstrak organik alam
Sebelum bahan digunakan sebagai sensitizer, ekstrak Terminalia bellirica,
Cinnamomum verum, dan Bixa orellana dikarakterisasi menggunakan Spektrofotometer
UV-Visible Lambda 25 dengan rentang panjang gelombang yang digunakan 300-800 nm.
1
Term inalia bellirica
C innam om um verum
Bixa orellana
Absorbansi (a.u)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
300
400
500
600
700
800
Panjang G elom bang (nm )
Gambar 3. Kurva absorbansi dye Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan
Bixa orellana
Gambar 3 menunjukkan bahwa puncak absorbansi dye Terminalia bellirica berada
pada panjang gelombang 367 nm dengan absorbansi maksimum sebesar 0,523 a.u.
Untuk dye Cinnaomum verum, puncak absorbansi berada pada panjang gelombang 447
nm dengan absorbansi maksimum sebesar 0,572 a.u. Selanjutnya untuk dye Bixa
orellana, puncak absorbansi berada pada panjang gelombang 328 nm dengan absorbansi
maksimum sebesar 0,754 a.u. Spektrum absorbansi dari ketiga bahan dye yang
digunakan menunjukkan bahwa bahan tersebut mampu menyerap cahaya pada rentang
panjang gelombang ultraviolet dan cahaya tampak sehingga dapat digunakan sebagai
material aktif sel surya DSSC.
2.
Konduktivitas ekstrak organik alam
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-10
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Karakteristik konduktivitas dye diukur menggunakan Elkahfi 100/I-V meter dalam
keadaan gelap dan di bawah penyinaran 250 mW/cm2.
0.0035
0.0035
0.0035
Gelap
Terang
Gelap
Terang
Gelap
Terang
0.003
0.003
0.003
0.0025
0.0025
0.0015
Arus (A)
Arus (A)
0.002
0.002
0.002
0.0015
0.0015
0.001
0.001
0.0005
0.001
0
0
2
4
6
8
10
0.0005
0
0.0005
0
Tegangan (V)
(a)
2
4
6
8
0
10
2
4
6
8
10
Tegangan (V)
(b)
(c)
Tegangan (V)
Gambar 4. Kurva konduktivitas (a) dye Terminalia bellirica, (b) dye Cinnamomum
verum, (c) dye Bixa orellana
Gambar 4 menunjukkan nilai konduktivitas dari dye Terminalia bellirica pada
keadaan gelap sebesar 2,63 x 10-2
m-1 dan menurun menjadi 9,53 x 10-3
m-1 pada
keadaan disinari cahaya. Untuk dye Cinnamomum verum, nilai konduktivitas pada
keadaan gelap 9,15 x 10-2
m-1 dan meningkat menjadi 1,06 x 10-1
m-1 pada
keadaan disinari cahaya. Selanjutnya untuk dye Bixa orellana, nilai konduktivitas pada
m-1 dan menurun menjadi 1,33 x 10-2
m-1 pada keadaan
keadaan gelap 1,57 x 10-2
disinari cahaya. Nilai konduktivitas dari dye Terminalia bellirica dan Bixa orellana
menurun pada saat disinari cahaya oleh karena resistansi larutan yang besar.
3.
Karakteristik I-V DSSC
Karakterisasi arus dan tegangan (I-V) adalah suatu metode untuk mengetahui
seberapa besar kemampuan DSSC dapat mengkonversi cahaya menjadi energi listrik.
Pengukuran menggunakan Keithley 2602A dilakukan pada keadaan gelap dan terang di
bawah penyinaran lampu halogen dengan intensitas 1000 W/m2. Hasil pengujian arus
dan tegangan dengan perendaman selama 24 jam.
0.005
0.0001
Gelap
Terminalia bellirica
Cinnamomum verum
Bixa orellana
5 10
Arus (mA)
0.004
0.003
-5
0
-0.1
0
-5 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-5
Imax
0.002
Arus (mA)
Arus (A)
0.0025
-0.0001
Vmax
Isc
Voc
0.001
-0.00015
0
-0.5
0
-0.001
0.5
1
-0.0002
Terminalia bellirica
Cinnamomum verum
Bixa orellana
-0.00025
Tegangan (mV)
Tegangan (mV)
(a)
(b)
Gambar 5. (a) Kurva I-V DSSC dye organik alam, (b) Fill Factor DSSC dye organik
alam
Berdasarkan Gambar 5 (b) dapat dilihat bahwa luasan area sel surya (Fill Factor)
terbesar terdapat pada dye Terminalia bellirica, dengan nilai Voc pada 4,0 x 10-1 mV dan
nilai Isc pada 1,52 x 10-4 mA. Hasil perolehan efisiensi dari dye Terminalia bellirica,
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-11
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Cinnamomum verum, dan Bixa orellana dengan perendaman 24 jam dapat ditunjukkan
pada Tabel 1.
No.
Tabel 1. Performa sel surya menggunakan dye organik alam
Dye Source
Terminalia bellirica
1
VOC (mV)
ISC (mA)
VMax (mV)
IMax (mA)
(%)
4,0 x 10-1
1,52 x 10-4
2,65 x 10-1
9,97 x 10-5
0,026
2,30 x 10-1
7,9 x 10-5
1,40 x 10-1
4,5 x 10-5
0,002
4,45 x 10-1
1,15 x 10-4
3,10 x 10-1
7,15 x 10-5
0,022
Cinnamomum verum
2
Bixa orellana
3
Perolehan nilai efisiensi sel surya dapat dihitung menggunakan persamaan 2.
Berdasarkan Tabel 1 dan Gambar 2, dapat disimpulkan bahwa performa DSSC terbaik
terdapat pada penggunaan dye Terminalia bellirica dengan nilai efisiensi sebesar
0,026%. Secara keseluruhan, nilai efisiensi dari ketiga bahan organik yang digunakan
masih sangat kecil (di bawah 1%). Ada dua cara yang dapat dilakukan untuk
meningkatkan performa DSSC. Pertama, mengganti elektroda lawan dengan polyaniline
(PANI), oleh karena PANI dapat meningkatkan efisiensi 6,90% dari penggunaan platina
menjadi 7,15% (Qinghua et al., 2008). Kedua, menggunakan jenis elektrolit yang
mempunyai nilai viskositas yang rendah dari polyethylene gycol seperti PEO polymer
gel (Duangkaew et al., 2010).
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sel surya DSSC telah berhasil
dibuat dengan memanfaatkan dye Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa
orellana sebagai fotosensitizer. Spektrum absorbansi dari ketiga bahan dye yang
digunakan menunjukkan bahwa dye tersebut mampu menyerap cahaya pada rentang
panjang gelombang ultraviolet dan cahaya tampak sehingga dapat digunakan sebagai
material aktif sel surya DSSC. Nilai konduktivitas terbesar terdapat pada dye
Cinnamomum verum, dan perolehan efisiensi terbesar terdapat pada dye Terminalia
bellirica dengan besar efisiensi 0,026%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada pengelola Laboratorium Fisika Material
Fakultas MIPA UNS Surakarta dan dukungan dari LPPM Hibah Peneliti Utama
Sebagai Rujukan Hibah MRG-UNS dengan No. 343/UN27/HK/2016 Tanggal 07 April
2016.
DAFTAR RUJUKAN
Duangkaew, P., Chindaduang, A., Tumcharem, 2010. Efficiency and Stability
Enhanchement of Dye Sensitized Solar cell using PEO Polymer Gel and ImidazoliumISBN 978-602-71279-1-9
FEL-12
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Based Ionic Liquid Electrolyte. Science Jurnal Ubonratchathani University. vol. 1, No.
1 (January-June), pp. 9-14.
Green, Martin, A., 1982. Solar Cells Operating Principles Technology and System
Application. Prentice Hall, Inc, Evylewood Cliffs N.J.
Huang, M.L., Yang, H.X., Wu, J.H., Lin, J.M., Lan, Z., Li, P.J., Hao, S.C., Han, P., Jiang,
Q.W., 2007. Preparation of a Novel Polymer Gel Electrolyte Gel based on N-methylquinoline Iodine and Its Application in Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cell.
J.Sol-Gel Sci. Techn. 42 (27): 65-70.
Irmansyah, Maddu, A., Zuhri, M., 2008. Fabrication and Characterization DyeSensitized Solar Cell based on TiO2/SnO2 Composit Electrode and Polymer Electrolite.
Jurnal ILMU DASAR, Vol. 9 No. 2, Juli 2008: 96-103.
Li, B., Wang, L., Kang, B., Wang, P., Qiu, Y., 2006. Review of Recent Progress in SolidState Dye-Sensitized Solar Cells. Sol. Energy Mater. Sol Cells. 90: 549-573.
Qinghua, Li., Jihua, Wu., Qunwei, Tang., Zhan, Lan., Pinjiang, Li., Jianming, Lin.,
Leqing, Fan., 2008. Application of Microporous Polyaniline Counter Electrode for DyeSensitized Solar Cells. Electrochemistry Communications. 10: 1299-1302.
Rahman, H. dan Prajitno, G., 2013. Pengaruh Pemberian Space (Bantalan) untuk
mendapatkan Kestabilan Arus dan Tegangan Prototipe DSSC dengan Ekstraksi Kulit
Buah Manggis (Garnicia mangostana L.) sebagai Dye Sensitizer. Jurnal Sains dan
Seni POMITS. Vol. 1 No. 2, 2301-928X.
Smestad, G.P. dan Gratzel, M., 1998. Demonstrating Electron and Nanotechnology.
J.Chem.Educ. 75 (6): 1-6.
Soga, T., 2006. Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion. Japan: Elseiver.
Zhou, H., Liqiong, W., Yurong, G., Tingli, M., 2011. Dye-Sensitized Solar Cells Using 20
Natural Dyes as Sensitizers. Journal of Photochemistry and Photobiology a
Chemistry. pp. 188-194.
ISBN 978-602-71279-1-9
FEL-13