fabrikasi dye sensitized solar cell (dssc) …... · dye sensitized solar cell (dssc) menggunakan...
TRANSCRIPT
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
i
FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
MENGGUNAKAN
MAWAR MERAH (Rosa Damascena Mill) SEBAGAI
PEWARNA ALAMI BERBASIS ANTOSIANIN
Disusun oleh
Dewi Nugrahawati
M0207032
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Januari 2012
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ii
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang
berjudul ldquo Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar
Merah (Rosa damascena Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin rdquo
adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga
saat ini isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh
orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan
di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya jika ada maka
telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua
pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih Isi skripsi ini boleh dirujuk atau
difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis
Surakarta 5 Januari 2012
DEWI NUGRAHAWATI
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Katakanlah ldquoDialah Allah Yang Maha Esardquo Allah adalah tempat bergantung semua urusan Dia tidak melahirkan dan dilahirkan Dan tidak ada
satupun yang setara dengan-Nya
(QSAl-Ikhlas 1-4)
ldquoDan (ingatlah juga) tatkala Tuhanmu memaklumkan Sesungguhnya jika kamu bersyukur pasti Kami akan menambah (nikmat) kepadamu dan jika kamu
mengingkari (nikmat-Ku) maka sesungguhnya azab-Ku sangat pedihrdquo
(QS Ibrahim 7)
Boleh jadi kamu membenci sesuatu padahal ia amat baik bagimu dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu padahal ia amat buruk bagimurdquo
(QS Al-Baqarah 216)
Nasehat itu ibarat salju makin lembut ia jatuh makin lama ia bertahan dan makin dalam ia menyelam ke dalam pikiran
(Samuel Taylor Coleridge)
Karya ini saya persembahkan Untuk
alm Bapak
Ibu
Om Har amp Bulek
Mas fajar dik lia yaya
Rukmini Dwi A
Elis Roifah
Sephtya Prita M
Latifah Sila SPW
Teman-teman Fisika UNS Angkatan 2007
Pembaca
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
v
ABSTRAK
Dewi Nugrahawati
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin
Fabrikasi Dye sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan pewarna alami
ekstrak antosianin dari mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai fotosensitizer telah dilakukan Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich dimana dua elektroda mengapit elektrolit polimer PEG (polyethylene glycol) yang mengandung kopel redoks I-I3- Elektroda pertama yaitu elektroda kerja yang berupa lapisan TiO2 pada substrat kaca berlapis bahan TCO (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi dengan dye antosianin sebagai donor elektron dalam sistem sel surya ini Elektroda lawan merupakan elektroda kedua yang berupa lapisan karbon pada kaca TCO (Transparant Conducting Oxide) Sel yang difabrikasi memiliki luas 1 cm2 sel direndam dengan dye antosianin dengan memvariasi waktu perendaman masing-masing direndam selama 1 jam 12 jam 24 jam dan 36 jam Sel-sel ini diuji dengan penyinaran menggunakan lampu Halogen 800 Watt dengan intensitas 2622 Wm2 pada jarak 5 cm Hasil pengujian sel-sel ini memperlihatkan efisiensi untuk masing-masing sel dengan variasi perendaman yaitu 00009 00036 00037 dan 00077 Sedangkan dengan menggunakan I-Vmeter Keithley dengan intensitas 1599 Wm2 menghasilkan efisiensi sebesar 0000846 00010 000154 00118
Kata Kunci Mawar Merah (Rosa damascena Mill) dye perendaman
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vi
ABSTRACT
Fabrication Of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
That Using Red Rose (Rosa damascena Mill) As Natural Dyes
Based The Anthocyanin
Fabrication of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using natural dyes extracted anthocyanins from red roses (Rosa damascena Mill) as a photosensitizer has been done Solar cell is formed structurally a sandwich where two electrodes sandwiching hold the polymer electrolyte PEG (polyethylene glycol) containing redox coupling I-I3- The first electrode is the working electrode in the form of TiO2 coating on a glass substrate coated TCO materials (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi with anthocyanin dye as an electron donor in these solar cell systems Counter electrode is a second electrode in the form of carbon coating on the glass TCO (Transparant Conducting Oxide) Cells that are fabricated having an area of 1 cm2 soaked cell with dye anthocyanin soaking time each soaking for 1 hour 12 hours 24 hours and 36 hours These cells were tested by irradiation using a 800 Watt Halogen lamp with intensity of 2622 Wm2 at a distance of 5 cm The results of testing of these cells showed efficiencies for each cell with variation of immersion that is 00009 00036 00037 and 00077 While using the I-Vmeter Keithley 1599 Wm2 intensity produces an efficiency of 0000846 00010 000154 00118
Keywords Red Rose (Rosa damascena Mill) dye soaked
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ii
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang
berjudul ldquo Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar
Merah (Rosa damascena Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin rdquo
adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga
saat ini isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh
orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan
di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya jika ada maka
telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua
pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih Isi skripsi ini boleh dirujuk atau
difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis
Surakarta 5 Januari 2012
DEWI NUGRAHAWATI
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Katakanlah ldquoDialah Allah Yang Maha Esardquo Allah adalah tempat bergantung semua urusan Dia tidak melahirkan dan dilahirkan Dan tidak ada
satupun yang setara dengan-Nya
(QSAl-Ikhlas 1-4)
ldquoDan (ingatlah juga) tatkala Tuhanmu memaklumkan Sesungguhnya jika kamu bersyukur pasti Kami akan menambah (nikmat) kepadamu dan jika kamu
mengingkari (nikmat-Ku) maka sesungguhnya azab-Ku sangat pedihrdquo
(QS Ibrahim 7)
Boleh jadi kamu membenci sesuatu padahal ia amat baik bagimu dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu padahal ia amat buruk bagimurdquo
(QS Al-Baqarah 216)
Nasehat itu ibarat salju makin lembut ia jatuh makin lama ia bertahan dan makin dalam ia menyelam ke dalam pikiran
(Samuel Taylor Coleridge)
Karya ini saya persembahkan Untuk
alm Bapak
Ibu
Om Har amp Bulek
Mas fajar dik lia yaya
Rukmini Dwi A
Elis Roifah
Sephtya Prita M
Latifah Sila SPW
Teman-teman Fisika UNS Angkatan 2007
Pembaca
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
v
ABSTRAK
Dewi Nugrahawati
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin
Fabrikasi Dye sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan pewarna alami
ekstrak antosianin dari mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai fotosensitizer telah dilakukan Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich dimana dua elektroda mengapit elektrolit polimer PEG (polyethylene glycol) yang mengandung kopel redoks I-I3- Elektroda pertama yaitu elektroda kerja yang berupa lapisan TiO2 pada substrat kaca berlapis bahan TCO (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi dengan dye antosianin sebagai donor elektron dalam sistem sel surya ini Elektroda lawan merupakan elektroda kedua yang berupa lapisan karbon pada kaca TCO (Transparant Conducting Oxide) Sel yang difabrikasi memiliki luas 1 cm2 sel direndam dengan dye antosianin dengan memvariasi waktu perendaman masing-masing direndam selama 1 jam 12 jam 24 jam dan 36 jam Sel-sel ini diuji dengan penyinaran menggunakan lampu Halogen 800 Watt dengan intensitas 2622 Wm2 pada jarak 5 cm Hasil pengujian sel-sel ini memperlihatkan efisiensi untuk masing-masing sel dengan variasi perendaman yaitu 00009 00036 00037 dan 00077 Sedangkan dengan menggunakan I-Vmeter Keithley dengan intensitas 1599 Wm2 menghasilkan efisiensi sebesar 0000846 00010 000154 00118
Kata Kunci Mawar Merah (Rosa damascena Mill) dye perendaman
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vi
ABSTRACT
Fabrication Of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
That Using Red Rose (Rosa damascena Mill) As Natural Dyes
Based The Anthocyanin
Fabrication of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using natural dyes extracted anthocyanins from red roses (Rosa damascena Mill) as a photosensitizer has been done Solar cell is formed structurally a sandwich where two electrodes sandwiching hold the polymer electrolyte PEG (polyethylene glycol) containing redox coupling I-I3- The first electrode is the working electrode in the form of TiO2 coating on a glass substrate coated TCO materials (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi with anthocyanin dye as an electron donor in these solar cell systems Counter electrode is a second electrode in the form of carbon coating on the glass TCO (Transparant Conducting Oxide) Cells that are fabricated having an area of 1 cm2 soaked cell with dye anthocyanin soaking time each soaking for 1 hour 12 hours 24 hours and 36 hours These cells were tested by irradiation using a 800 Watt Halogen lamp with intensity of 2622 Wm2 at a distance of 5 cm The results of testing of these cells showed efficiencies for each cell with variation of immersion that is 00009 00036 00037 and 00077 While using the I-Vmeter Keithley 1599 Wm2 intensity produces an efficiency of 0000846 00010 000154 00118
Keywords Red Rose (Rosa damascena Mill) dye soaked
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang
berjudul ldquo Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar
Merah (Rosa damascena Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin rdquo
adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga
saat ini isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh
orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan
di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya jika ada maka
telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua
pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih Isi skripsi ini boleh dirujuk atau
difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis
Surakarta 5 Januari 2012
DEWI NUGRAHAWATI
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Katakanlah ldquoDialah Allah Yang Maha Esardquo Allah adalah tempat bergantung semua urusan Dia tidak melahirkan dan dilahirkan Dan tidak ada
satupun yang setara dengan-Nya
(QSAl-Ikhlas 1-4)
ldquoDan (ingatlah juga) tatkala Tuhanmu memaklumkan Sesungguhnya jika kamu bersyukur pasti Kami akan menambah (nikmat) kepadamu dan jika kamu
mengingkari (nikmat-Ku) maka sesungguhnya azab-Ku sangat pedihrdquo
(QS Ibrahim 7)
Boleh jadi kamu membenci sesuatu padahal ia amat baik bagimu dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu padahal ia amat buruk bagimurdquo
(QS Al-Baqarah 216)
Nasehat itu ibarat salju makin lembut ia jatuh makin lama ia bertahan dan makin dalam ia menyelam ke dalam pikiran
(Samuel Taylor Coleridge)
Karya ini saya persembahkan Untuk
alm Bapak
Ibu
Om Har amp Bulek
Mas fajar dik lia yaya
Rukmini Dwi A
Elis Roifah
Sephtya Prita M
Latifah Sila SPW
Teman-teman Fisika UNS Angkatan 2007
Pembaca
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
v
ABSTRAK
Dewi Nugrahawati
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin
Fabrikasi Dye sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan pewarna alami
ekstrak antosianin dari mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai fotosensitizer telah dilakukan Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich dimana dua elektroda mengapit elektrolit polimer PEG (polyethylene glycol) yang mengandung kopel redoks I-I3- Elektroda pertama yaitu elektroda kerja yang berupa lapisan TiO2 pada substrat kaca berlapis bahan TCO (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi dengan dye antosianin sebagai donor elektron dalam sistem sel surya ini Elektroda lawan merupakan elektroda kedua yang berupa lapisan karbon pada kaca TCO (Transparant Conducting Oxide) Sel yang difabrikasi memiliki luas 1 cm2 sel direndam dengan dye antosianin dengan memvariasi waktu perendaman masing-masing direndam selama 1 jam 12 jam 24 jam dan 36 jam Sel-sel ini diuji dengan penyinaran menggunakan lampu Halogen 800 Watt dengan intensitas 2622 Wm2 pada jarak 5 cm Hasil pengujian sel-sel ini memperlihatkan efisiensi untuk masing-masing sel dengan variasi perendaman yaitu 00009 00036 00037 dan 00077 Sedangkan dengan menggunakan I-Vmeter Keithley dengan intensitas 1599 Wm2 menghasilkan efisiensi sebesar 0000846 00010 000154 00118
Kata Kunci Mawar Merah (Rosa damascena Mill) dye perendaman
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vi
ABSTRACT
Fabrication Of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
That Using Red Rose (Rosa damascena Mill) As Natural Dyes
Based The Anthocyanin
Fabrication of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using natural dyes extracted anthocyanins from red roses (Rosa damascena Mill) as a photosensitizer has been done Solar cell is formed structurally a sandwich where two electrodes sandwiching hold the polymer electrolyte PEG (polyethylene glycol) containing redox coupling I-I3- The first electrode is the working electrode in the form of TiO2 coating on a glass substrate coated TCO materials (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi with anthocyanin dye as an electron donor in these solar cell systems Counter electrode is a second electrode in the form of carbon coating on the glass TCO (Transparant Conducting Oxide) Cells that are fabricated having an area of 1 cm2 soaked cell with dye anthocyanin soaking time each soaking for 1 hour 12 hours 24 hours and 36 hours These cells were tested by irradiation using a 800 Watt Halogen lamp with intensity of 2622 Wm2 at a distance of 5 cm The results of testing of these cells showed efficiencies for each cell with variation of immersion that is 00009 00036 00037 and 00077 While using the I-Vmeter Keithley 1599 Wm2 intensity produces an efficiency of 0000846 00010 000154 00118
Keywords Red Rose (Rosa damascena Mill) dye soaked
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Katakanlah ldquoDialah Allah Yang Maha Esardquo Allah adalah tempat bergantung semua urusan Dia tidak melahirkan dan dilahirkan Dan tidak ada
satupun yang setara dengan-Nya
(QSAl-Ikhlas 1-4)
ldquoDan (ingatlah juga) tatkala Tuhanmu memaklumkan Sesungguhnya jika kamu bersyukur pasti Kami akan menambah (nikmat) kepadamu dan jika kamu
mengingkari (nikmat-Ku) maka sesungguhnya azab-Ku sangat pedihrdquo
(QS Ibrahim 7)
Boleh jadi kamu membenci sesuatu padahal ia amat baik bagimu dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu padahal ia amat buruk bagimurdquo
(QS Al-Baqarah 216)
Nasehat itu ibarat salju makin lembut ia jatuh makin lama ia bertahan dan makin dalam ia menyelam ke dalam pikiran
(Samuel Taylor Coleridge)
Karya ini saya persembahkan Untuk
alm Bapak
Ibu
Om Har amp Bulek
Mas fajar dik lia yaya
Rukmini Dwi A
Elis Roifah
Sephtya Prita M
Latifah Sila SPW
Teman-teman Fisika UNS Angkatan 2007
Pembaca
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
v
ABSTRAK
Dewi Nugrahawati
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin
Fabrikasi Dye sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan pewarna alami
ekstrak antosianin dari mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai fotosensitizer telah dilakukan Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich dimana dua elektroda mengapit elektrolit polimer PEG (polyethylene glycol) yang mengandung kopel redoks I-I3- Elektroda pertama yaitu elektroda kerja yang berupa lapisan TiO2 pada substrat kaca berlapis bahan TCO (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi dengan dye antosianin sebagai donor elektron dalam sistem sel surya ini Elektroda lawan merupakan elektroda kedua yang berupa lapisan karbon pada kaca TCO (Transparant Conducting Oxide) Sel yang difabrikasi memiliki luas 1 cm2 sel direndam dengan dye antosianin dengan memvariasi waktu perendaman masing-masing direndam selama 1 jam 12 jam 24 jam dan 36 jam Sel-sel ini diuji dengan penyinaran menggunakan lampu Halogen 800 Watt dengan intensitas 2622 Wm2 pada jarak 5 cm Hasil pengujian sel-sel ini memperlihatkan efisiensi untuk masing-masing sel dengan variasi perendaman yaitu 00009 00036 00037 dan 00077 Sedangkan dengan menggunakan I-Vmeter Keithley dengan intensitas 1599 Wm2 menghasilkan efisiensi sebesar 0000846 00010 000154 00118
Kata Kunci Mawar Merah (Rosa damascena Mill) dye perendaman
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vi
ABSTRACT
Fabrication Of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
That Using Red Rose (Rosa damascena Mill) As Natural Dyes
Based The Anthocyanin
Fabrication of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using natural dyes extracted anthocyanins from red roses (Rosa damascena Mill) as a photosensitizer has been done Solar cell is formed structurally a sandwich where two electrodes sandwiching hold the polymer electrolyte PEG (polyethylene glycol) containing redox coupling I-I3- The first electrode is the working electrode in the form of TiO2 coating on a glass substrate coated TCO materials (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi with anthocyanin dye as an electron donor in these solar cell systems Counter electrode is a second electrode in the form of carbon coating on the glass TCO (Transparant Conducting Oxide) Cells that are fabricated having an area of 1 cm2 soaked cell with dye anthocyanin soaking time each soaking for 1 hour 12 hours 24 hours and 36 hours These cells were tested by irradiation using a 800 Watt Halogen lamp with intensity of 2622 Wm2 at a distance of 5 cm The results of testing of these cells showed efficiencies for each cell with variation of immersion that is 00009 00036 00037 and 00077 While using the I-Vmeter Keithley 1599 Wm2 intensity produces an efficiency of 0000846 00010 000154 00118
Keywords Red Rose (Rosa damascena Mill) dye soaked
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
v
ABSTRAK
Dewi Nugrahawati
Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin
Fabrikasi Dye sensitized Solar Cell (DSSC) menggunakan pewarna alami
ekstrak antosianin dari mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai fotosensitizer telah dilakukan Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich dimana dua elektroda mengapit elektrolit polimer PEG (polyethylene glycol) yang mengandung kopel redoks I-I3- Elektroda pertama yaitu elektroda kerja yang berupa lapisan TiO2 pada substrat kaca berlapis bahan TCO (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi dengan dye antosianin sebagai donor elektron dalam sistem sel surya ini Elektroda lawan merupakan elektroda kedua yang berupa lapisan karbon pada kaca TCO (Transparant Conducting Oxide) Sel yang difabrikasi memiliki luas 1 cm2 sel direndam dengan dye antosianin dengan memvariasi waktu perendaman masing-masing direndam selama 1 jam 12 jam 24 jam dan 36 jam Sel-sel ini diuji dengan penyinaran menggunakan lampu Halogen 800 Watt dengan intensitas 2622 Wm2 pada jarak 5 cm Hasil pengujian sel-sel ini memperlihatkan efisiensi untuk masing-masing sel dengan variasi perendaman yaitu 00009 00036 00037 dan 00077 Sedangkan dengan menggunakan I-Vmeter Keithley dengan intensitas 1599 Wm2 menghasilkan efisiensi sebesar 0000846 00010 000154 00118
Kata Kunci Mawar Merah (Rosa damascena Mill) dye perendaman
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vi
ABSTRACT
Fabrication Of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
That Using Red Rose (Rosa damascena Mill) As Natural Dyes
Based The Anthocyanin
Fabrication of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using natural dyes extracted anthocyanins from red roses (Rosa damascena Mill) as a photosensitizer has been done Solar cell is formed structurally a sandwich where two electrodes sandwiching hold the polymer electrolyte PEG (polyethylene glycol) containing redox coupling I-I3- The first electrode is the working electrode in the form of TiO2 coating on a glass substrate coated TCO materials (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi with anthocyanin dye as an electron donor in these solar cell systems Counter electrode is a second electrode in the form of carbon coating on the glass TCO (Transparant Conducting Oxide) Cells that are fabricated having an area of 1 cm2 soaked cell with dye anthocyanin soaking time each soaking for 1 hour 12 hours 24 hours and 36 hours These cells were tested by irradiation using a 800 Watt Halogen lamp with intensity of 2622 Wm2 at a distance of 5 cm The results of testing of these cells showed efficiencies for each cell with variation of immersion that is 00009 00036 00037 and 00077 While using the I-Vmeter Keithley 1599 Wm2 intensity produces an efficiency of 0000846 00010 000154 00118
Keywords Red Rose (Rosa damascena Mill) dye soaked
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vi
ABSTRACT
Fabrication Of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
That Using Red Rose (Rosa damascena Mill) As Natural Dyes
Based The Anthocyanin
Fabrication of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using natural dyes extracted anthocyanins from red roses (Rosa damascena Mill) as a photosensitizer has been done Solar cell is formed structurally a sandwich where two electrodes sandwiching hold the polymer electrolyte PEG (polyethylene glycol) containing redox coupling I-I3- The first electrode is the working electrode in the form of TiO2 coating on a glass substrate coated TCO materials (Transparant Conducting Oxide) disensitisasi with anthocyanin dye as an electron donor in these solar cell systems Counter electrode is a second electrode in the form of carbon coating on the glass TCO (Transparant Conducting Oxide) Cells that are fabricated having an area of 1 cm2 soaked cell with dye anthocyanin soaking time each soaking for 1 hour 12 hours 24 hours and 36 hours These cells were tested by irradiation using a 800 Watt Halogen lamp with intensity of 2622 Wm2 at a distance of 5 cm The results of testing of these cells showed efficiencies for each cell with variation of immersion that is 00009 00036 00037 and 00077 While using the I-Vmeter Keithley 1599 Wm2 intensity produces an efficiency of 0000846 00010 000154 00118
Keywords Red Rose (Rosa damascena Mill) dye soaked
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan
kemudahan dan limpahan rahmat kepada penulis sehingga dengan ridho-Nya
tersebut penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul ldquoFabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena
Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianinrdquo ini guna memenuhi
persyaratan mencapai derajat Sarjana Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Universitas Sebelas Maret Surakarta
Laporan Penelitian skripsi ini dapat diselesaikan berkat Allah SWT dan
beberapa pihak lain yang telah dengan suka rela membantu penulis baik dengan
pikiran dan tenaganya Oleh karena itu dengan segala hormat penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada
1 Pihak Dikti yang telah memberi dana untuk penelitian ini
2 Ir Ari Handono Ramelan M Sc Ph D selaku pembimbing I yang senantiasa
membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini
3 Bapak Drs Harjana MSi PhD selaku pembimbing II atas kesabarannya
untuk selalu memberikan pengarahan dan bimbingan selama proses
penyelesaian skripsi
4 Dra Soeparmi MA Ph D selaku pembimbing akademik penulis yang selalu
memberikan motivasi dan bimbingan kepada penulis
5 Teman ndash teman material (Mini Ana Endah Novi Nika Tamy) yang telah
membagi jadwal ngelabnya serta kerjasama dalam penggunaan alatnya mbak
Latifah serta teman-teman Jurusan Fisika FMIPA UNS angkatan 2007
Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan
dengan balasan yang lebih baik Amin Penulis berharap semoga laporan
penelitian skripsi ini dapat bermanfaat
Surakarta 5 Januari 2012
Penulis
Dewi Nugrahawati
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
viii
DAFTAR PUBLIKASI
Dewi N Rukmini D A Ari H R Harjana (2011) Natural anthocyanin
extracted from Rose (Rosa damascena Mill) as photosensitizer for dye-sensitized
solar cell (DSSC) ICXSM Paragon Solo 10-13
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN PENGESAHAN ii
HALAMAN PERNYATAAN iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN iv
HALAMAN ABSTRAK v
HALAMAN ABSTRACT vi
KATA PENGANTAR vii
DAFTAR PUBLIKASI viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SIMBOLxv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
11 Latar Belakang 1
12 Perumusan Masalah 4
13 Batasan Masalah 5
14 Tujuan Penelitian 5
15 Manfaat Penelitian 5
BAB II LANDASAN TEORI 6
21 Sel Surya 6
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
x
211 Sel Surya Konvensional 6
212 Fotoelektrokimia Sel Surya 7
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) 7
22 Kinerja DSSC 10
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) 12
231 Semikonduktor TiO2 12
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) 15
233 Elektrolit 18
234 Counter Elektrode 20
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide) 20
24 X-Ray Diffraction (XRD) 21
25 Scanning Electron Microscope (SEM) 23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 25
31 Tempat dan Waktu Penelitian 25
32 Alat dan Bahan yang Digunakan 25
321 Peralatan 25
322 Bahan yang Digunakan 26
33 Metode Penelitian 27
331 Prosedur penelitian 28
3311 Pembuatan Bubuk TiO2 28
3312 Pembuatan Pasta TiO2 29
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2 30
3314 Ekstraksi Larutan Dye 30
3315 Preparasi elektrolit 31
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xi
3316 Pembuatan Pasta Carbon 31
3317Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon 32
3318 Fabrikasi DSSC 32
34 Teknik Analisa Data 33
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa
damascena Mill) dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah
Direndam 33
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2 34
343 Karakterisasi Morfologi TiO2 35
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 2400 Source Meter 35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 37
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) 37
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2 41
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam 43
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian 46
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter
Keithley 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 53
51 Kesimpulan 53
52 Saran 54
DAFTAR PUSTAKA 55
LAMPIRAN 59
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase 14
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase Bubuk TiO2 yang Disintesis 39
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
41
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
46
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley52
Tabel 1 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC60
Tabel 2 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC61
Tabel 3 a Data Parameter Kisi a Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO262
Tabel 3 b Data Parameter Kisi c Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk TiO263
Tabel 4 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian64
Tabel 5 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 1 Jam67
Tabel 6 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 12 Jam69
Tabel 7 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 24 Jam71
Tabel 8 Data Pengukuran Arus (I) dan Tegangan (V) dengan Perendaman 36 Jam74
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich 8
Gambar 22 Prinsip Kerja DSSC 8
Gambar 23 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor 10
Gambar 24 Karakteristik I-V pada sel surya 10
Gambar 25 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor 12
Gambar 26 Struktur kristal TiO2 anatase 13
Gambar 27 Struktur kristal TiO2 rutile 13
Gambar 28 Posisi pita energi berbagai macam semikonduktor 15
Gambar 29 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil) 17
Gambar 210 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascenaMill)18
Gambar 211 Pergerakan Elektron Dalam DSSC 19
Gambar 212 Difraksi Sinar X Pada Kristal 22
Gambar 31 Diagram Alir Penelitian 27
Gambar 32 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 33 Pasta TiO229
Gambar 34 Pembuatan Bubuk TiO2 29
Gambar 35 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2 30
Gambar 36 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill) 31
Gambar 37 Pasta Carbon 31
Gambar 38 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon 32
Gambar 39 Ilustrasi sandwich DSSC 32
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xiv
Gambar 310 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 33
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance 34
Gambar 312 Gambar skema rangkain uji I-V 35
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter 36
Gambar 41 Karakterisasi XRD Pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC 38
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC 40
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X42
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X 42
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2
yang direndam 44
Gambar 45 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill) 44
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan
Variasi Waktu Perendaman45
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC46
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman 47
Gambar 49 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley 49
Gambar 410 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam 50 (b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam 50 (c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam 51 (d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam 51
DAFTAR SIMBOL
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xv
Simbol Keterangan Satuan
P Daya watt
V Tegangan volt
I Arus listrik ampere
Η Efisiensi
T Suhu kelvin
t Waktu sekon
Panjang gelombang meter
ρ Massa jenis gcm3
Eg Celah energy eV
Θ Sudut radian
DAFTAR LAMPIRAN
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
xvi
Lampiran 1 Database JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan
Rutile59
Lampiran 2 Data Jarak Antar Bidang Pada Suhu Calsinasi 600oC 60
Lampiran 3 Data Ukuran Kristal Bubuk TiO2 Pada Suhu Calsinasi 600oC 61
Lampiran 4 Data Parameter Kisi Untuk Fase Anatase dan Rutile Pada Bubuk
TiO2 dengan Suhu Calsinasi 600oC 62
Lampiran 5 Data I (Arus)-V(tegangan) Menggunakan Rangkaian 64
Lampiran 6 Data Pengukuran Arus (I) dan tegangan (V) Sel DSSC dengan
Menggunakan IV-meter Keithley 67
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
11 Latar Belakang Masalah
Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah
besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia Hal ini dikarenakan
pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber
energi meningkat Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi
oleh sumber-sumber energi fosil utama yaitu minyak bumi gas alam dan batu
bara Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis
energi dunia pada tahun 70-an Dalam peraturan presiden RI No52006 tentang
kebijakan Energi Nasional tercantum target peningkatan energi terbarukan
sebanyak 5 Oleh karena itu beberapa sumber energi terbarukan disarankan
sebagai alternative untuk mengatasi krisis energi saat ini diantaranya adalah
sumber energi surya biomassa angin dan tenaga air (Kusumandari 2009)
Indonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan seperti tenaga air
(termasuk minihidro) panas bumi biomasa angin dan surya (matahari) yang
bersih dan ramah lingkungan tetapi pemanfaatannya belum optimal Belum
optimalnya pemanfaatan energi terbarukan disebabkan biaya pembangkitan
pembangkit listrik energi terbarukan seperti tenaga surya tidak dapat bersaing
dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan
bakar minyak gas bumi dan batubara)
Energi matahari bisa diubah menjadi listrik menggunakan efek fotovoltaik
Kata fotovoltaik mempunyai dua bagian photo diturunkan dari bahasa Yunani
untuk cahaya dan volt yang berhubungan dengan listrik Sehingga secara bahasa
fotovoltaik dapat diartikan cahaya-listrik Proses perubahan cahaya (foton)
menjadi listrik (voltase) disebut efek fotovoltaik
Secara geografis Indonesia dilalui oleh garis khatulistiwa sehingga
Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
2
radiasi matahari rata-rata sekitar 48 kWhm2 per hari di seluruh wilayah
Indonesia (Irawan dan Ira 2006) Dengan melimpahnya energi surya tersebut
Indonesia berpotensi untuk mengembangkan tenaga solar cell sebagai energi
alternatif
Energi surya memungkinkan sebagai pembangkit energi di daerah-daerah
terpencil Hal inilah yang menjadi dasar dilakukannya pengembangan penelitian
dalam pembuatan sel surya Sel surya berbasis silikon merupakan jenis sel surya
yang banyak digunakan saat ini Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh
bahan silikon masalah mahalnya biaya produksi dan proses fabrikasinya yang
tidak sederhana menjadi suatu kendala
Seiring dengan perkembangan teknologi dominasi tersebut bertahap mulai
tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru yaitu Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Keunggulan dari DSSC adalah tidak memerlukan bahan dengan
kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif rendah Selain itu berbeda
dengan sel surya konvensial yang semua proses melibatkan bahan silikon itu
sendiri pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada
proses yang terpisah Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi
muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang memiliki celah pita besar
Salah satu semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (titanium dioksida)
Hal ini dikarenakan TiO2 relatif murah banyak dijumpai dan juga tidak beracun
(Graumltzel 2003)
Salah satu sensitizer yang paling efisien diproduksi dari koordinasi transisi
senyawa logam berat yaitu polypyridyl rutenium kompleks Secara umum
koordinasi logam transisi senyawa (Ruthenium kompleks polypyridyl) efektif
digunakan sebagai sensitizer karena penyerapan intens transfer terlihat utuh dan
sangat efisien Namun ruthenium polypyridyl kompleks mengandung logam
berat yang tidak diinginkan dari sudut pandang aspek lingkungan Selain itu
proses untuk mensintesisnya rumit dan mahal (Hao etal 2006)
Sensitizer merupakan komponen penting dalam DSSC Untuk mengatasi
potensi toksinitas kompleks anorganik ruthenium polypyridyl yang digunakan
perlu dicari sensitizer alternative yang tidak bersifat toksik dan mahal Beberapa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
3
penelitian telah dilakukan menggunakan zat warna organik sebagai sensitizer sel
surya Sebagian besar senyawa organik berasal dari sumber hayati yaitu tumbuh-
tumbuhan Penelitian yang telah ada membuktikan bahwa dye yang berasal dari
alam dapat digunakan sebagai fotosensitizer misalnya pada penelitian ekstrak
buah delima (Arifin 2011) buah berry (Smestad dan Gratzel1998) buah duwet
(Garcia etal 2002) dan penelitian Zhou etal (2011) tentang penggunaan 20
pewarna alami dalam DSSC
Pewarna alami dapat digunakan untuk tujuan yang sama meskipun dengan
efisiensi yang lebih rendah Kelebihan pewarna alami dibandingkan dengan
pewarna buatan antara lain yaitu ketersediaan dan biaya yang rendah (Hao etal
2006)
Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang berasal
dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebih
dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa antosianin
memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga
membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Antosianin
berpotensi dipergunakan sebagai sensitizer karena memiliki spektrum cahaya
dalam rentang yang cukup lebar dari merah hingga biru Sementara pada klorofil
terdapat gugus alkil pada struktur molekulnya yang tidak bisa berikatan kimia
dengan lapisan TiO2 Demikian pula rantai alkena yang panjang yang dimiliki
klorofil dan karoten juga mencegah terjadinya ikatan yang efektif ke permukaan
TiO2 Oleh karena itu klorofil dan karoten sedikit dapat diserap oleh lapisan TiO2
(Hao etal 2006) Antosianin dapat digunakan sebagai pH-indikator karena
banyak dari antosianin mengubah warna tergantung pada pH lingkungan mereka
(Hedbor and Klar 2005)
Bunga mawar merupakan tumbuhan yang digunakan sebagai pewarna alami
pada makanan dan kosmetik Kandungan kimia bunga mawar yaitu flavonoid dan
polifenol Flavonoid adalah kelompok pigmen antosianin yang banyak tersebar
pada organ tanaman terutama pada bagian bunga (ditemukan hampir 30
terkandung dalam berat keringnya) Sehingga bunga mawar mengandung
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
4
antosianin yang dapat digunakan sebagai dye pada Dye-sensitized solar cell
(DSSC) (Devi 2009)
Berdasarkan penelitian BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi) di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Mawar yang banyak peminatnya adalah tipe Hybrid Tea dan
Medium memiliki variasi warna bunga cukup banyak mulai putih sampai merah
padam dan tingkat produktivitas tinggi 120-280 kuntum bungam2 tahun
Tidak adanya polusi suara ramah lingkungan penggunaan pewarna alami
yang relatif murah dan mudah didapatkan serta ketersediaan energi surya dalam
jumlah besar dan dalam jangka waktu yang relatif panjang membuat energi surya
memiliki prospek yang baik dalam pengembangan energi untuk kehidupan
mendatang Hal ini dapat didukung dengan ditelitinya teknik-teknik baru terkait
sel surya untuk dapat memperoleh sel surya yang lebih murah dan efisien
Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja DSSC adalah lama
perendaman di dalam dye Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan
pengaruh lama perendaman terhadap kinerja dari sel surya Sel surya yang
dikembangkan menggunakan dye dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa
damascena Mill) dengan memvariasi waktu perendaman Sel surya yang
tersentisasi dye akan dipengaruhi lama perendaman sampel di dalam dye yakni
semakin lama perendaman akan mempengaruhi arus dan tegangan yang
dihasilkan Arus dan tegangan yang dihasilkan menjadi semakin besar dan juga
sebaliknya (Ayu 2011)
12 Perumusan Masalah
1 Bagaimana pengaruh variasi waktu perendaman pada dye mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
2 Bagaimana pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap efisiensi sel surya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
5
13 Batasan Masalah
Beberapa batasan perlu diberikan agar permasalahan yang akan dibahas
menjadi terarah Batasan tersebut adalah sebagai berikut
1 Pembuatan bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
2 Pembuatan lapisan TiO2 menggunakan metode slip casting (pelapisan dengan
spatula)
3 Penggunaan mawar merah (Rosa damascene Mill) sebagai dye nya
4 Parameter yang akan dikaji yaitu serapan dye alami mawar merah (Rosa
damascene Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye dengan variasi
waktu perendaman pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan pada
masing-masing variasi perendaman serta nilai efisiensi sel surya yang
dihasilkan
14 Tujuan
Tujuan penelitian yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
1 Menghasilkan prototype Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) yang dapat
mengkonversi energi surya menjadi listrik
2 Menentukan pengaruh variasi waktu perendaman dye alami mawar merah
(Rosa damascena Mill) terhadap nilai serapannya
3 Menentukan pengaruh dye alami dari mawar merah (Rosa damascena Mill)
terhadap nilai efisiensi sel surya
15 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh manfaat sebagai berikut
1 Mengkaji pembuatan DSSC sebagai sarana alternatif dalam pemanfaatan
energi dari sinar matahari sebagai energi yang terbarukan
2 Menghasilkan sel surya dengan memanfaatkan bahan-bahan organik yang
mudah diperoleh di lingkungan sekitar
3 Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
21 Sel Surya
Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah
energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menerapkan prinsip
Photovoltaic (PV) Photovoltaic merupakan bidang penelitian dan teknologi yang
berhubungan dalam pengembangan sel surya yang menggunakan solar energi Sel
surya dirancang khusus untuk menangkap energi yang berasal dari matahari
sedangkan Photovoltaic (PV) cell menggunakan sumber energi yang tidak hanya
berasal dari matahari Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek
photovoltaic Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel
pada tahun 1839 Efek photovoltaic merupakan peristiwa dimana suatu sel
photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi
listrik Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu peristiwa munculnya beda
potensial akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan sistem padatan atau
cairan saat disinari cahaya (Tiwari dan Dubey 2010) Sel surya dapat
dikategorikan berdasarkan bahan penyusun sel surya yaitu sel surya tipe organik
dan anorganik
211 Sel Surya Konvensional
Sel surya konvensional terdiri dari lapisan silikon Sel ini mengubah cahaya
menjadi energi listrik menggunakan efek photovoltaic Serapan cahaya dalam sel
surya menyebabkan elektron tereksitasi dan menyebabkan terjadinya pasangan
electron-holes Perpindahan elektron dan holes menyebabkan sel surya bekerja
Tetapi untuk menghindari rekombinasi prematur elektron dan hole Si harus
sangat murni dan bebas dari kerusakan Sel surya konvensional lain yang
menggunakan semikonduktor klasik seperti C-Si CdSCdTe CdSCdInSe juga
memiliki beberapa kendala seperti sel surya Si yaitu membutuhkan biaya produksi
yang cukup tinggi rumit dan menyebabkan masalah lingkungan karena
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
7
pemakaian logam berat Diantara sel surya berbasis bahan semikonduktor sel
surya fotoelektrokimia yang menggunakan zat warna sebagai sensitiser
mempunyai beberapa kelebihan antara lain biaya produksi murah dan ramah
lingkungan (Yen 2010)
212 Fotoelektrokimia Sel Surya
Sel fotoelektrokimia merupakan sel surya organik yang tersensitasi zat
warna sel ini memanfaatkan reaksi fotokimia untuk menghasilkan listrik Sel
fotoelektrokimia memiliki kelebihan dibandingkan dengan sel surya silikon
antara lain rendahnya biaya untuk memproduksi dan rentang yang luas dalam
penyerapan cahaya tampak Pada umumnya struktur sel dalam struktur sandwich
dengan substrat transparan sebagai lapisan atas dan bawah yang bersifat
Transparan Conductive Oxide (TCO) (Yen 2010)
213 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 (titanium dioksida) yang
disensitasi oleh dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik
dengan efisiensi 71 Solar ini kemudian disebut sebagai Dye-Sensitized Solar
Cell (DSSC) Peningkatan efisiensi dari DSSC terus dikembangkan Hingga saat
ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan yaitu 10 (Gratzel 2003)
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang tersensitasi oleh
zat warna Sel surya ini dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
DSSC tersusun dari tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working
electrode) elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit Elektroda
kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan berkonduksi
(Transparant Conductive Oxide) yang mengadsorp zat warna kompleks Ru (II)
sebagai sensitiser Sedangkan elektroda lawan pada sel Graumltzel berupa substrat
kaca transparan berkonduksi yang dilapisi platina (Pt) sebagai katalis reaksi
redoks Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks I-I
3-
dalam
pelarut organik Adapun susunan satu sel DSSC dapat dilihat pada Gambar 21
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
8
Gambar 21 Susunan Satu Sel DSSC Seperti Sandwich
Elektroda kerja merupakan lapis tipis TiO2 pada substrat kaca transparan
Energi yang diterima DSSC mengakibatkan tereksitasinya electron dari pita
HOMO (High Occupied Molecular Orbital) ke pita LUMO (Low Unoccupied
Molecular Orbital) Karena adanya perbedaan tingkat energi dari pita konduksi
semikonduktor TiO2 yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital LUMO pada
dye maka akan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari orbital LUMO
dye ke pita konduksi dari semikonduktor dan selanjutnya menuju ke kaca
konduktif yang transparan prinsip kerja tersebut dapat diilustrasikan seperti pada
Gambar 2 2
Gambar 2 2 Prinsip Kerja DSSC
(Graumltzel 2003)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
9
Terjadinya eksitasi elektron dari orbital HOMO ke orbital LUMO
menyebabkan terjadinya hole pada orbital HOMO Hole ini kemudian
diregenerasi kembali oleh pemberian elektron dari elektrolit yang digunakan Hal
ini mengakibatkan pada sisi counter electrode akan lebih bermuatan positif dan
mempunyai potensial positif Sedangkan pada sisi TCO (Transparant Conductive
Oxide) yang terlapisi TiO2 sebagai semikonduktor akan mempunyai potensial
negatif Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya perbedaan beda potensial
antara kedua elektroda tersebut sehingga menyebabkan terjadinya aliran listrik
jika antara kedua elektroda tersebut diberi beban Walaupun mekanisme tegangan
yang dihasilkan dari DSSC belum diketahui secara pasti Beda potensial
maksimum antara kedua elektroda adalah selisih antara level fermi semikonduktor
dan potensial redoks pada elektrolit seperti yang ditunjukkan Gambar 22
Radiasi sinar matahari dapat ditangkap oleh lapis tunggal sensitiser yang
teradsorb pada permukaan titania Morfologi mesopori titania memegang peranan
penting dalam penangkapan sinar matahari Morfologi tersebut menyebabkan
foton yang masuk ditangkap secara efisien oleh sensitizer meskipun titania hanya
tertutup lapis tunggal zat warna Fotoeksitasi zat warna memicu dua reaksi redoks
siklis berpasangan yang pertama melibatkan zat warna dan yang kedua
melibatkan iodidatriiodida (Graumltzel 2001) Jumlah zat warna yang teradsorp
sebagai lapis tunggal pada permukaan lapisan titania akan mempengaruhi
efisiensi sel surya Makin besar jumlah zat warna yang teradsorb makin tinggi
pula efisiensi sel surya Perbedaan morfologi permukaan mempengaruhi kinerja
sel surya Naiknya porositas lapis tipis dan turunnya jumlah partikel yang
mengalami agregasi menyebabkan Isc yang dihasilkan sel surya lebih tinggi
Kemudian pemilihan semikonduktor dye dan larutan elektrolit harus
diperhatikan Injeksi elektron dari pita LUMO zat warna ke pita konduksi TiO2
dapat berlangsung apabila tingkat energi pita LUMO lebih tinggi dari pada tingkat
energi pita konduksi TiO2 Disisi lain larutan elektrolit yang digunakan juga harus
mempunyai tingkat energi lebih besar dibandingkan dengan pita HOMO zat
warna
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
10
22 Kinerja DSSC
Kinerja sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi cahaya
ke listrik Nilai efisiensi dari sebuah sel surya dapat dihitung melalui grafik arus-
voltase (I-V) yang dihasilkan Gambar 2 3 menunjukkan kurva karakteristik
untuk memenentukan Fill Factor Sedangkan Gambar 2 4 merupakan kurva
karakteristik I-V pada sel surya
Gambar 2 3 Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor
(Halme 2002)
Keterangan pada Gambar 2 3
1 Tegangan rangkaian terbuka (Open Circuit Voltage) Voc
2 Arus hubungan pendek (Short Circuit Current) Isc
3 Fill Factor (FF)
Fill Factor adalah ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya serta
merupakan ukuran luas persegi kurva I-V dimana fill factor dapat diperoleh dari
persamaan sebagai berikut
119865119865 =119881119898119886119909 119868119898119886119909
119881119874119862 119868119878119862 (2 1)
Faktor Kurva (Fill Factor)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
11
dimana
Imax arus yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (ampere)
Vmax tegangan yang dihasilkan pada saat daya maksimum dari solar sel (volt)
ISC arus yang dihasilkan ketika terjadi hubungan pendek (beban mendekati 0
Ω) (ampere)
VOC tegangan yang dihasilkan ketika belum terjadi aliran arus (volt)
Gambar 2 4 Karakteristik I-V pada sel surya
(Tiwari dan Dubey 2010)
Efisiensi sel surya dapat didefinisikan sebagai
120578 =119875119872119860119883
119875119871119894119892 ℎ119905 100 (2 2)
dengan PMAX adalah
119875119872119860119883 = 119881119874119862119868119878119862119865119865 (2 3)
dimana
PMax daya maksimum yang dihasilkan sel surya (watt)
PLight Pinput daya dari sinar yang mengenai sel surya (watt)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
12
23 Material Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
231 Semikonduktor TiO2
Semikonduktor ialah zat padat kristalin seperti silikon atau germanium
namun luangan energinya tidak terlalu besar biasanya berkisar dari 05 sampai
30 eV Dalam semikonduktor luangan energinya (energi gap) relatif kecil
sehingga eksitasi termal dari elektron melalui sela ini dapat terjadi sampai tingkat
tertentu pada temperatur kamar Eksitasi termal dari elektron akan menaruh
beberapa elektron ke dalam pita (yang hampir kosong) yang disebut pita konduksi
(conduction band) dan akan meninggalkan keadaan kosong atau lubang (holes)
yang sama banyaknya di dalam pita valensi (valence band) (Setiya 2005)
Gambaran dari pita-pita energi untuk sebuah semikonduktor ditunjukkan pada
Gambar 2 5
Gambar 2 5 Pita-pita Energi Sebuah Semikonduktor
(Setiya 2005)
Beberapa semikonduktor oksida yang mempunyai celah energi (Eg) pada
daerah cahaya tampak adalah TiO2 WO3 SrTiO3 ZnO dan Fe2O3 Diantara
semikonduktor tersebut TiO2 telah terbukti penggunaannya untuk DSSC dan
aman untuk lingkungan
Titania merupakan semikonduktor fotokatalis yang bisa dimanfaatkan untuk
remediasi lingkungan bersifat fotoaktif bisa digunakan dalam cahaya tampak
bersifat inert murah nontoksik mudah diproduksi dan digunakan Titania
mempunyai ketahanan yang bagus terhadap korosi atmosfer baik di lingkungan
laut maupun di kawasan industri dan terhadap korosi erosi di air tawar sehingga
titania digunakan pada bidang industri kecantikan (Kenneth etal 1991)
Pita Konduksi
Pita Valensi
Eg
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
13
Semikonduktor TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yakni tipe rutile brookite
dan anatase (Farrell 2001) Tipe yang sering digunakan adalah tipe anatase dan
rutile karena anatase dan rutile memegang peranan penting dalam aktivitas
fotokatalitik Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat
fotoaktif Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile tetapi
pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah Aktivitas fotokatalitik
TiO2 tergantung pada sifat fase anatase yang dipengaruhi oleh morfologi luas
permukaan kristalinitas dan ukuran partikel Rutile memiliki struktur kristal yang
mirip dengan anatajse Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan sebagai
rantai oktahedral TO6 Kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral
dan pola susunan rantai oktahedralnya Anatase bersifat metastabil dan akan
berubah menjadi rutile pada suhu diatas 9150C Anatase mempunyai struktur
kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut adapun struktur kristal
dari anatase maupun dari rutile ditunjukkan pada Gambar 26 dan 27
Gambar 2 6 Struktur kristal TiO2 anatase
(Farrell 2001)
Gambar 2 7 Struktur kristal TiO2
rutile
(Farrell 2001)
Tiap atom Ti4+
dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-
Pada struktur
rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga sedangkan pada
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
14
struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya (Septina
2006)
Bentuk titania yang stabil adalah rutile dimana bentuk lain titania berubah
pada suhu tinggi Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase dengan
pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut Anatase
merupakan bentuk kristal yang sering digunakan dibidang Photovoltaic Anatase
dan rutile mempunyai tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda yang
terlihat pada Tabel 21
Tabel 21 Perbandingan Sifat TiO2 Untuk Fase Kristal Rutile dan Anatase
(Septina 2006)
Sifat Rutile Anatase
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal
Tetapan kisi-kisi a 458 Å 378 Å
Tetapan kisi-kisi c 295 Å 949 Å
Berat jenis 42 gcm3 39 gcm
3
Indeks bias 271 252
Titik didih 1858 oC
Berubah jadi rutile pada
temperatur tinggi (900oC)
Struktur anatase memiliki celah energi (band gap) sebesar 32 eV setara
dengan energi gelombang cahaya UV dengan panjang gelombang 413 nm
Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya Pada
Gambar 28 terlihat bahwa Fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita
konduksi jika dibandingkan dengan pita valensi Sehingga TiO2 merupakan
semikonduktor yang cenderung bermuatan negative Hal inilah yang mendasari
TiO2 cocok digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda
Semikonduktor lain yang sering dijumpai pada fabrikasi DSSC adalah ZnO (Zico
2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
15
Gambar 2 8 Posisi Pita Energi Berbagai Macam Semikonduktor
(Graumltzel 2001)
232 Pewarna (dye) Antosianin Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
Sinar matahari menghasilkan 5 spektra di daerah ultraviolet dan 45 di
daerah cahaya tampak TiO2 hanya menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm)
Untuk meningkatkan serapan spektra TiO2 di daerah cahaya tampak dibutuhkan
lapisan zat warna sensitizer yang akan menyerap cahaya tampak pada TiO2
Sensitizer yang digunakan dalam sel surya bisa berupa kompleks anorganik
maupun zat warna organik Sensitizer tersebut bisa mensensitisasi sel surya secara
efektif jika terjadi ikatan atau pembentukan kelat dengan TiO2 (Smestad dan
Graumltzel 1998)
Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada
permukaan TiO2 Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling
tinggi yaitu jenis Ruthenium Compleks Selain itu dye-photosintezer merupakan
faktor yang penting dalam menentukan performansi DSSC misalnya sifat serapan
fotosentizernya yang menentukan secara langsung rentang fotorespon dari sel
surya Dye berfungsi menyerap cahaya tampak memompa elektron ke dalam
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
16
semikonduktor menerima elektron dari pasangan redoks dalam larutan dan
seterusnya dalam suatu siklus sehingga dye berperan sebagai pompa elektron
molekuler Sensitisasi semikonduktor biasanya menggunakan antosianin yang
berasal dari pigmen alami Hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang
lebih dari klorofil sebagai sensitizer DSSC (Hao etal 2006) Senyawa
antosianin memiliki gugus karbonil dan hidroksil pada struktur molekulnya
sehingga membuatnya mampu berikatan kimia dengan permukaan TiO2 Dye yang
dipakai harus mempunyai kandungan antosianin yang tinggi mempunyai serapan
yang kuat di daerah cahaya yang tampak stabilitas tinggi dan reversebilitas dalam
bentuk teroksidasinya Dye yang digunakan dalam DSSC mempunyai gugus
kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron Salah
satu contoh pewarna organik dengan kandungan antosianin tinggi yaitu mawar
merah (Rosa damascena Mill) yang mempunyai gugus kromofor yang
terkonjugasi sehingga dapat melakukan transfer elektron Beberapa buah bunga atau daun dapat digunakan sebagai sumber
fotosensitiser alami yang lebih cepat murah berenergi rendah dan ramah
lingkungan untuk produksi sel surya berbasis sensitiser zat warna Flavonoid
seperti antosianin (C15 H12 O6) yang terdapat dalam struktur daun buah dan bunga
yang bersifat stabil dan beberapa pigmen antosianin bisa digunakan sebagai
sensitiser pengganti kompleks Ruthenium bipiridil Serapan maksimum dari
ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm Kinerja ekstrak alami
biasanya lebih baik daripada senyawa komersial atau hasil pemurnian yang
serupa hal ini mungkin karena adanya campuran zat warna pada beberapa
ekstrak Zat warna yang berbeda menghasilkan serapan cahaya dengan panjang
gelombang yang berbeda
Antosianin adalah kelompok pigmen yang berwarna merah sampai biru
yang tersebar dalam tanaman Secara spesifik antosianin terdapat dalam sel
epidermal dari buah akar daun dan bunga Antosianin merupakan pigmen warna
paling umum pada tumbuhan tingkat tinggi juga memiliki aktivitas antioksidan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
17
Menurut BPPT (2011) mawar merupakan tanaman bunga hias berupa herba
dengan batang berduri Mawar yang dikenal nama bunga rose atau Ratu Bunga
merupakan simbol atau lambang kehidupan religi dalam peradaban manusia
Mawar berasal dari dataran Cina Timur Tengah dan Eropa Timur Dalam
perkembangannya menyebar luas di daerah-daerah beriklim dingin (sub-tropis)
dan panas (tropis) Daerah pusat tanaman mawar terkonsentrasi di kawasan
Alaska atau Siberia India Afrika Utara dan Indonesia Sentra penanaman bunga
potong tabur dan tanaman pot di Indonesia dihasilkan dari daerah Jawa Barat
Sumatera Utara Jawa Tengah Jawa Timur dan Jakarta
Dalam sistematika tumbuhan (taksonomi) mawar diklasifasikan sebagai
berikut
Kingdom Plantae
Divisi Spermatophyta
SubDivisi Angiospermae
Kelas Dicotyledonae
Ordo Rosanales
Famili Rosaceae
Genus Rosa
Species Rosa damascena Mill R multiflora Thunb R hybrida Hort dll
Di Indonesia berkembang aneka jenis mawar hibrida yang berasal dari
Holand (Belanda) Gambar 29 menunjukkan bunga mawar merah yang digunakan
untuk pembuatan DSSC
Gambar 2 9 Bunga Mawar Merah (Rosa damascena Miil)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
18
Mawar merah mengandung antosianin flavonoid jenis sianidin dimana
sianidin ini memiliki memiliki gugus =O atau ndashOH Gugusndashgugus tersebut
mampu membentuk kelat dengan situs Ti (IV) pada permukaan TiO2 (Graumltzel dan
Smestad 1998) Struktur molekul antosianin pada bunga mawar merah (Rosa
damascena Miil) ditampilkan pada Gambar 2 10
Gambar 2 10 Struktur Molekul Antosianin Jenis Sianin dari Mawar Merah (Rosa
damascena Mill)
(Vankar dan Bajpai 2010)
233 Elektrolit
Fungsi elektrolit dalam DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan
elektron pada pita HOMO dari dye akibat eksitasi elektron dari pita HOMO ke
pita LUMO karena penyerapan cahaya tampak oleh dye Elektrolit juga dapat
menerima electron pada sisi counter electrode Pada umumnya pembuatan sel
DSSC menggunakan pasangan elektrolit I- dan I
3- sebagai elektrolit karena
sifatnya yang stabil dan mempunyai reversibility yang baik Pada umumnya
elektrolit ini menggunakan pelarut ecetonitril dalam pembuatannya Penggunaan
acetonitril dapat memunculkan beberapa masalah diataranya pelarut mengalami
evaporasi dan bisa terbakar sehubungan dengan masalah tersebut terdapat cara
untuk mengatasinya yaitu mengganti larutan elektrolit dengan solid atau quasi-
solid state electrolyte (Kang etal 2006) Pelarut lain yang dapat digunakan
dalam larutan elektrolit yaitu Polyethylene Glycol (PEG) PEG dapat menembus
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
19
ke dalam serapan dye TiO2 baik untuk perbandingan ukuran partikel yang kecil
maupun pada diameter pori skala nano dan dapat menjaga kestabilan kerja PEG
termasuk dalam golongan alkohol dengan dua buah gugus ndashOH yang berulang
dan termasuk bahan yang dapat larut dalam air PEG bisa berbentuk padatan
maupun cairan kental (gel) tergantung pada komposisi dan berat molekulnya
(Latifah 2011)
Oleh karena alasan tersebut pada penelitian ini digunakan pasangan
elektrolit I- dan I
3- dengan pelarut PEG sebagai pengganti acetonitril sebagai
pelarutnya Sebagaimana terlihat pada Gambar 2 11 kehilangan elektron pada
pita HOMO akan diregenerasi kembali oleh ion I3-
(oksidasi elektrolit)
Sedangkan pada sisi counter electrode aliran elektron mereduksi ion I- (reduksi
elektrolit) (Graumltzel 2001)
Gambar 2 11 Pergerakan Elektron Dalam DSSC
(Graumltzel 2001)
Reaksi yang terjadi pada sistem DSSC sebagai berikut
D+hv rarr D (eksitasi dye)
D+TiO2 rarr D+ eTiO2-
(transfer elektron dari LUMO ke pita konduksi
TiO2)
2D+
+ 3I-rarr 2D+ I3
- (regenerasi dye oleh elektrolit)
I3- +2e- rarr3 I
- (reaksi elektrolit pada elektroda lawan)
I-+I2 harr I3
-
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
20
234 Counter Elektrode
Counter elektrode digunakan sebagai katalis dalam DSSC Penggunaan
katalis yang umum digunakan yaitu platina dan karbon Penggunaan masing-
masing jenis elektroda mempunyai kelebihannya masing-masing Pada penelitian
ini elektroda yang digunakan yaitu karbon Karbon mempunyai luas permukaan
yang relatif lebih luas dibandingkan dengan platina
Dalam penelitian ini jenis karbon yang digunakan karbon aktif Karbon
aktif adalah bentuk mikrokristalin yang mempunyai permukaan dalam yang
sangat besar berkisar antara 300-2000 m2g (Yunianto 2002)
Karbon aktif digunakan dalam industri pangan maupun non pangan Dalam
industri pangan karbon aktif digunakan untuk menyerap gas dan peroksida yang
menyebabkan kerusakan oksidatif pada minyak Sedangkan untuk industri non
pangan karbon aktif berfungsi untuk memurnikan bahan-bahan kimia seperti
asam sitrat asam galat dan lain sebagainya Selain itu karbon aktif juga dapat
digunakan sebagai adsorben dan katalis (Yunianto 2002)
235 FTO (Fluorine doped Tin Oxide)
Photoelectrode pada DSSC biasanya dibuat dengan cara melapisi TiO2 pada
permukaan TCO (Transparent Conductive Oxide) Kaca FTO (Flourine doped Tin
Oxyde) merupakan salah satu material TCO yang juga banyak digunakan sebagai
transparant elektrode Hal ini karena stabilitas yang baik pada suhu tinggi dan
harganya relatif murah dibandingkan dengan ITO Kaca FTO terbuat dari Indium
Oxide sebagi bahan dasr material yang didoping oleh Sn (Timah) untuk
meningkatkan konduktivitas listriknya SnO2 sendiri adalah semikonduktor
dengan konduktivitas yang sangat rendah dan celah pita lebar (sekitar 4 eV)
Keuntungan TiO2 yaitu memiliki transmitansi tinggi ( 80 atau 85 tergantung
pada ketebalan) khususnya di wilayah gelombang tampak (Yen 2010)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
21
24 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar-X dan
digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal sistem kristal (kubik
tetragonal ortorombik rombohedral heksagonal monoklinik triklinik)
menentukan kualitas kristal (single crystal polycrystal amorphous) menentukan
simetri kristal menentukan cacat kristal (dislokasi) mencari parameter kristal
(parameter kisi jarak antar atom jumlah atom per unit sel) analisis kimia dan
ukuran kristal Sinar-X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam
tabung sinar-X Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah
(katoda) yang terbuat dari filamen tungsten Elektron dipercepat dengan kecepatan
yang sangat tinggi ke arah anoda Elektron-elektron kehilangan energi karena
terjadi tumbukan dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil
(kurang dari 1) dan yang lainnya terhambur menjadi panas (Setyowati 2006)
Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan (scattering)
interferensi dan difraksi Sinar-X yang mengenai bidang kristal akan dihamburkan
ke segala arah (Gambar 212) Interferensi konstruktif hanya terjadi jika antara
sinar-sinat terhambur yang sejajar dan beda jarak jalannya tepat λ 2λ 3λ dan
seterusnya Sinar-sinar pantul yang sefase yang berbeda lintasan sebesar kelipatan
bulat dari panjang gelombang akan menimbulkan interferensi saling menguatkan
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi Dari Gambar 2 12
dapat diuraikan persamaan untuk mendapatkan persamaan difraksi Bragg
δ = n λ (2 4)
δ = DE + ECprime = 2 ECprime (2 5)
δ = 2 CE sin θ (2 6)
karena CE adalah jarak antar bidang sehingga CE = drsquo maka dapat ditulis
δ = 2 119889prime sin θ (2 7)
Dengan mensubtitusi persamaan (2 4) ke persamaan (2 7) diperoleh
n λ = 2 119889prime sin θ (2 8)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
22
Persamaan (2 8) dapat ditulis sebagai berikut
λ = 2 119889prime
119899sin θ (2 9)
Dengan 119889 =119889prime
119899 maka diperoleh persamaan Bragg sebagai berikut
λ = 2 119889 sin θ (2 10)
Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg tersebut
adalah panjang gelombang sinar-X d adalah jarak bidang dalam kristal adalah
sudut difraksi dan n adalah orde difraksi yang dinyatakan dengan bilangna bulat
Gambar 2 12 Difraksi Sinar X Pada Kristal (Suryanarayana dan North 1998)
Penentuan ukuran partikel terkecil di dalam kristal TiO2 ditentukan dengan
persamaan Scherrer (Suryanarayana dan North 1998)
119863 =119896 120582
120573 cos 120579 (2 11)
Dengan 120582 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (120582Cu Kα1= 015406
nm) k adalah konstanta Scherrer = 09 120573 adalah puncak dari setengah
intensitasFWHM (Full-Width Half Maximum) dan 120579 adalah sudut difraksi
Jarak antar bidang dari indeks Miller adalah dhkl Rumus yang digunakan
tergantung dari struktur kristalnya Untuk struktur kristal tetragonal berlaku
hubungan persamaan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
23
2 2 21
2 2 2
h k l
d a c
+= +
(2 12)
dimana a = b ne c dengan a b c adalah parameter kisi dan hkl adalah indeks
Miller (Suryanarayana 1998) Persamaan (210) disubtitusikan ke persamaan
(212) sehingga didapatkan persamaan hukum Bragg untuk sistem tetragonal
yaitu
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 + 1198621198972 (2 13)
120579 merupakan sudut difraksi dan h k l merupakan indeks Miller
119860 =1205822
41198862 (2 14)
dan
119862 = 1205822
41198882 (2 15)
Parameter (konstanta) kisi 119886 dan 119888 dicari dengan menggunakan persamaan (214)
dan (215) Nilai 119860 menggunakan nilai sudut yang bersesuaian ketika 119897 = 0 (garis
ℎ1198960) sehingga persamaan (213) menjadi
1199041198941198992120579 = 119860 ℎ2 + 1198962 (2 16)
Nilai ℎ2 + 1198962 yang mungkin sebesar 12468 dst Nilai 119862 didapatkan dari pola
garis lain dengan syarat nilai indeks Miller pada 119897 ne 0 sehingga persamaan (213)
berubah menjadi
1198621198972 = 1199041198941198992120579 minus 119860(ℎ2 + 1198962) (2 17)
Nilai 119862 didapatkan dengan syarat nilai indeks Miller pada ℎ dan 119896 berbeda
25 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne
(ilmuwan Jerman) SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada
permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi
gambar Imajinasi gambar yang didapatkan menyerupai sebagaimana gambar
pada televisi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
24
SEM adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas
electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis
Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau
material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi tinggi
Permukaan material yang disinari atau terkena berkas electron akan memantulkan
kembali berkas electron (berkas electron sekunder ke segala arah) Tetapi dari
semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi Detector yang terdapat di dalam SEM
akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh
benda atau material yang dianalisis kemudian diolah dan ditampilkan pada layar
CRT (Cathode Ray Tube)monitor (Sundari 2011)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
25
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
31 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Material Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sebelas
Maret dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika dan Sub Lab Biologi
Universitas Sebelas Maret Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli-Desember
2011 Pengukuran nilai absorbansi larutan dye mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye menggunakan Spektrometer Uv-
Vis dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas
Sebelas Maret Surakarta dan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) UNS sedangkan uji I-V
dengan menggunakan rangkaian dilaksanakan di Laboratorium Pusat MIPA Sub
Lab Fisika dan uji I-V menggunakan Keithley dilaksanakan di Laboratorium
Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
(MIPA) Universitas Sebelas Maret Uji struktur kristal dan ukuran kristal TiO2
menggunakan XRD dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
Sedangkan untuk uji morfologi lapisan TiO2 pada substrat FTO menggunakan
SEM dilaksanakan di Laboratorium Terpadu FMIPA UNS
32 Alat dan Bahan yang Digunakan
321 Peralatan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan
karakterisasi Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi
1 Gelas beker
2 Gelas ukur
3 Pipet tetes
4 Kertas saring merk Whatman no42
5 Neraca digital spesifikasi Neraca XY-200A merk Aslep
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
26
6 Kaca Transparent Conductive Oxide (TCO) jenis FTO (Flourine doped Tin
Oxyde)
7 Cawan petri dan cawan crusibel
8 Oven
9 Hot plate
10 Furnace Nabertherm
11 Solar Power Meter
12 Ultrasonic cleaner (sonicator)
13 spatula kaca
14 Spatula Besi
15 Spatula tanduk
16 Scotch tape
17 Multimeter digital
18 Potensiometer
19 Lampu Halogen 800 Watt
20 Blender
21 Screen Proyektor (gasket)
Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu
1 XRD Bruker D8 Advance
2 Spektrophotometer UV-Visible Shimadzu 1601 PC
3 I-V meter Keithly 2400 source meter
4 SEM FEI
322 Bahan yang Digunakan
Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat
kemurnian pro analisis (pa) Bahan-bahan yang digunakan meliputi
1 Titanium Tetraklorida (TiCl4)
2 Ethanol
3 Methanol
4 Isopropanol
5 Block copolymerPluronic P2243-250G
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
27
6 Aquades
7 Potassium Iodide (KI)
8 Iodine (I2)
9 Polyethylene glycol (PEG)
10 Asam citrat (C6H8O7)
11 Mawar merah (Rosa damascena Mill) kering
12 Carbon aktif
33 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen
Alur penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 31
Gambar 3 1 Diagram Alir Penelitian
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC
Uji Struktur Kristal TiO2 dengan XRD
Ekstraksi antosianin mawar
merah (Rosa damascena
Mill)+perendaman lapisan TiO2
pada dye
Uji karakteristik optik
absorbansi
deposisi lapisan tipis TiO2
Preparasi lapisan carbon
Fabrikasi DSSC
Uji Struktur Morfologi lapisan TiO2
dengan SEM
Uji karakteristik DSSC
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan pasta TiO2
Preparasi elektrolit
analisa
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
28
331 Prosedur Penelitian
3311 Pembuatan bubuk TiO2
Sintesis TiO2 menggunakan metode sol-gel dimana block
copolymerPluronic P2243-250G sebagai bahan dasar untuk membentuk struktur
nanopori Metode sol-gel merupakan teknik pengendapan larutan kimia (sol) yang
bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel) sehingga
mengandung fase cair dan padat Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam
pembuatan bubuk TiO2 dijelaskan sebagai berikut
1 Block copolymerPluronic P2243-250G sebanyak 15 gram dilarutkan pada
ethanol sebanyak 190 ml kemudian diaduk selama 30 menit dengan
menggunakan pengaduk magnetik
2 Larutan tersebut ditambahkan prekursor TiCl4 secara perlahan-lahan sebanyak
57 gram kemudian diaduk selama 30 menit sehingga rasio molar
TiCl4ethanolblock copolymer adalah 1 217 00408 (Wilman 2007)
3 Larutan kemudian dilakukan proses aging (oven) pada temperatur 40degC
selama 6-7 hari pada cawan crusibel sampai terbentuk dry-gel
4 Dry-gel yang terbentuk kemudian dilakukan proses kalsinasi (pemanasan
dengan temperatur tinggi dibawah titik lebur) menggunakan Furnace
Nabertherm dengan suhu kalsinasi sebesar 600oC selama 4 jam dengan
kecepatan pembakaran 5-6degCmenit untuk mendapatkan bubuk TiO2
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
29
Gambar 3 2 Diagram Alir Pembuatan Bubuk TiO2
3312 Pembuatan Pasta TiO2
1 Bubuk TiO2 35 gram ditetesi 15 ml ethanol sambil diaduk menggunakan
stirer magnetik selama plusmn 30 menit (Gambar 3 4) hingga larutan larut
kemudian di larutkan menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental
Gambar 3 3 Pasta TiO2 Gambar 3 4 Pembuatan Bubuk TiO2
Kalsinasi Temperatur 600˚C
ditahan selama 4 jam
Block copolymer + methanol
TiCl4
TiCl2 (OR)2
(R=CmH2m+1)
TiO2 dry-gel
Bubuk TiO2
Diaduk 30 menit
Diaduk 30 menit
Di Oven Temperatur 40-
45˚C selama 6-7 hari
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
30
3313 Preparasi Deposisi Lapisan Tipis TiO2
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan TiO2 dicari bagian yang bersifat konduktif
kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip (ketebalan selotip 50
microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan ilustrasi gambar seperti
Gambar 3 5
2 Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 450degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 5 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2
3314 Ekstraksi Larutan Dye
Pewarna antosianin diperoleh dari bubuk mawar merah (Rosa damascena
Miil) yang sudah dikeringkan Bubuk mawar merah (Rosa damascena Miil)
diekstraksi menggunakan pelarut organik Pelarut organik yang digunakan
merupakan kombinasi dari ethanol asam citrat dan aquades dengan
perbandingan volume 5 1 4 Mawar merah (Rosa damascena Miil) di
keringkan kemudian dihaluskan menggunakan blender 10 gram bubuk mawar
merah (Rosa damascena Miil) dilarutkan dalam pelarut organik (10 ml ethanol 2
ml asam citat dan 8 ml aquades) menggunakan magnetik stirer dengan suhu
pemanasan 60 oC selama 30 menit Setelah dilarutkan larutan tersebut direndam
(maserasi) selama plusmn 24 jam Setelah proses maserasi filtrat padat disaring dengan
kertas saring merk Whatman no42 Dye hasil penyaringan disimpan dalam botol
tertutup alumunium foil untuk mencegah terjadinya evaporasi dan degradasi
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
31
serta disimpan dalam suhu dingin agar tidak membusuk Gambar 36
menunjukkan hasil filtrasi larutan dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
Gambar 3 6 Larutan Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
3315 Preparasi elektrolit
Potassium iodide (KI) sebanyak 08 gram (05 M) dicampur kedalam 10 ml
polyethylene glycol kemudian diaduk selanjutnya kedalam larutan tersebut
ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0127 gram (005 M) Larutan elektrolit yang
sudah jadi disimpan dalam botol tertutup
3316 Pembuatan Pasta Carbon
1 Bubuk carbon 35 gram ditetesi 15 ml isopropanol sambil diaduk
menggunakan stirer magnetik selama plusmn 30 menit hingga larutan larut
kemudian di sonikasi menggunakan sonicator supaya larutan homogen
2 Larutan diaduk kembali menggunakan stirer magnetik hingga larutan
homogen dan sedikit mengental (Gambar 3 7)
Gambar 3 7 Pasta Carbon
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
32
3317 Preparasi deposisi lapisan tipis Carbon
1 Kaca FTO sebelum ditetesi larutan carbon dicari bagian yang bersifat
konduktif kemudian masing-masing diberi pembatas dengan selotip
(ketebalan selotip 50 microm) panjang sisi 10 cm membentuk persegi Dengan
ilustrasi gambar seperti Gambar 3 8
2 Pasta carbon diteteskan di atas kaca FTO kemudian dilakukan slip casting
dengan menggunakan mortirpenggilingan yang berupa spatula
3 Setelah kering selotip dilepaskan dari kaca FTO
4 Kaca FTO yang telah dilapisi larutan TiO2 tersebut dipanaskan dengan proses
dehidrolisis pada suhu 180degC selama 10 menit Kemudian kaca FTO yang
telah dilapisi TiO2 didiamkan hingga dingin
Gambar 3 8 Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta Carbon
3318 Fabrikasi DSSC
Konstruksi sel surya yang digunakan adalah sistem sandwich dengan urutan
elektroda kerja yang telah terlapisi dye ndash spacergasket (screen proyektor)- larutan
elektrolit - elektroda lawan penggunaan spacer bertujuan agar tidak terjadi short
pada sel DSSC (Yang-Shian etal 2007) Kontak pada sel dibuat dengan
menggunakan penjepit buaya pada tepi elektroda lawan dan elektroda kerja
Dengan ilustrasi gambar seperti Gambar 3 9
Gambar 3 9 Ilustrasi sandwich DSSC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
33
34 Teknik Analisa Data
341 Karakterisasi Absorbansi Dye Mawar Merah (Rosa damascena Mill)
dan Absorbansi Lapisan TiO2 yang Telah direndam
Mawar merah yang telah diekstraksi menjadi larutan dye diuji
absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25 Panjang
gelombang yang digunakan antara 350-800 nm dan lebar slit yang digunakan
sebesar 2 nm Selain itu lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye dengan variasi
waktu perendaman diuji Uv-Vis
Gambar 3 10 Spektrofotometer UV-Visible Lambda 25
Pada spektrofotometer UV sinar kontinyu dihasilkan oleh lampu muatan
hidrogen atau deuterium sedangkan sinar Visibel dihasilkan oleh lampu wolfram
Panjang gelombang cahaya UV-Vis berada pada kisaran 180-800 nm Prinsip dari
spektroskopi UV-Vis adalah terjadinya transisi elektronik yang disebabkan
penyerapan sinar UV-Vis yang mampu mengeksitasi elektron dari orbital yang
kosong Pada umumnya transisi yang paling mungkin adalah transisi pada tingkat
tertinggi (HOMO) ke orbital molekul yang kosong pada tingkat terendah
(LUMO)
Absorbansi terjadi ketika foton bertumbukan langsung dengan atom-atom
pada material dan kehilangan energi pada elektron atom Foton mengalami
perlambatan ada juga yang berhenti saat masuk pada material Energi foton yang
diserap oleh atom kemudian digunakan oleh elektron didalam atom tersebut
untuk bertransisi ke tingkat energi elektronik yang lebih tinggi Absorbsi
menyatakan besarnya cahaya yang diserap oleh lapisan tipis dari total cahaya
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
34
yang disinarkan Adsorbansi suatu senyawa pada suatu panjang gelombang
tertentu bertambah dengan semakin banyaknya molekul yang mengalami transisi
Pada penelitian ini akan dilakukan uji absorbansi pada masing-masing
sampel yaitu variasi perendaman dimana rentang panjang gelombang yang
digunakan antara 350 nm hingga 800 nm Sehingga akan diperoleh nilai
absorbansinya
342 Karakterisasi Struktur Kristal Dan Ukuran Kristal TiO2
Penentuan struktur kristal dan ukuran partikel nanopori TiO2 menggunakan
metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8 Advance XRD Bruker
menggunakan radiasi Cu Kα1 (15406 Aring) pada tegangan 40 kV dan arus sebesar
40 mA Hasil difraktometer dibandingkan dengan data JCPDS TiO2
Gambar 311 XRD Bruker D8 Advance
Pada penelitian ini bubuk TiO2 yang telah disintesis dilakukan uji XRD
untuk mengetahui struktur kristal serta ukuran butir dari bubuk TiO2 yang telah
disintesis Untuk menentukan struktur kristal dapat dicari dengan mengetahui data
hasil uji XRD yang berupa sudut 2θ serta intensitasnya Sudut-sudut tersebut
kemudian dicocokkan dengan data base JCPDS sehingga diperoleh struktur
kristal dan bidang-bidangnya Sedangkan untuk menentukan ukuran kristal dapat
diketahui dengan cara menentukan FWHM (Full-Width Half Maximum) terlebih
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
35
dahulu Data dari uji XRD dicari nilai FWHM-nya kemudian ukuran kristal dapat
dicari dengan menggunakan rumus Scherrer
343 Karakterisasi Morfologi TiO2
Untuk melihat morfologi bubuk TiO2 yang dihasilkan dilakukan uji
karakterisasi menggunakan (Scanning Electron Microscopy) SEM Selain untuk
melihat morfologi dari bubuk TiO2 uji karakterisasi ini juga dapat digunakan
untuk menghitung ukuran bubuk TiO2 Pada penelitian ini menggunakan SEM
FEI yang berada di gedung MIPA Terpadu
344 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan rangkaian
Pada uji karakteristik ini performansi sel surya dapat dilihat melalui
pengukuran arus dan variasi tegangan Rangkaian pengukuran pada konstruksi sel
surya dilakukan menggunakan potensiometer 250 kΩ dan 3 buah multimeter
digital Pengukuran dilakukan dengan penyinaran pada lampu halogen 800 Watt
Dengan intensitas cahaya lampu 2622 Wm2 Skema pengujian ditunjukkan pada
Gambar 312
Gambar 312 Gambar Skema Rangkain Uji I-V
345 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
2400 Source Meter
Konfirmasi kuantitatif efek sensitisasi zat warna alami pada lapis tipis TiO2
sel surya dilakukan melalui pengukuran arus yang dihasilkan sistem sel surya
pada tegangan yang divariasi Intensitas cahaya yang digunakan dalam penelitian
ini yaitu sebesar 1599 Wm2 Sistem sel surya dalam hal ini bertindak seperti
dioda Sistem sel surya dikatakan mati jika arus yang dihasilkan sistem saat
tegangan 0 (Isc) bernilai nol Dalam sel surya berbasis sensitiser zat warna hal ini
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
36
berarti bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Kinerja sel surya ini sangat dipengaruhi oleh konstruksi
sistem sel surya itu sendiri seperti elektroda kerja (working electrode) elektroda
lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja
alat ukur juga bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya
Gambar 313 Gambar Alat I-V meter Keithley 2400 Source Meter
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
37
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian tentang Fabrikasi Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa damascena Mill) sebagai
pewarna alami berbasis anthosianin Pada bagian ini akan disajikan tentang
karakterisasi bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC pada bagian awal
dilanjutkan analisa lapisan tipis TiO2 pada suhu dehidrolisis 450oC kemudian
kajian sensitisasi lapis tipis TiO2 oleh zat warna alami selanjutnya kinerja sel
surya lapis tipis TiO2 tersensitisasi zat warna Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
41 Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) berfungsi untuk
menentukan fase ukuran kristal dan struktur kristal pada semikonduktor bubuk
TiO2 yang telah dibuat Gambar 41 menunjukkan karakterisasi XRD pada pola
difraksi bubuk TiO2 dengan suhu calsinasi 600oC Menurut Latifah (2011) bubuk
TiO2 pada suhu kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal
anatase yang paling banyak meskipun sedikit mengandung kristal rutile
sehingga bagus digunakan dalam pembutan sel surya Oleh karena itu pada
penelitian ini digunakan suhu penahan calsinasi 600oC
Bubuk TiO2 disintesis dengan menggunakan metode sol-gel dengan
bantuan block copolymerPluronic P2243-250G Proses sol-gel merupakan teknik
pengendapan larutan kimia (sol) yang bertindak sebagai prekursor untuk suatu
jaringan terpadu (gel) sehingga mengandung fase cair dan padat Akan tetapi fase
gel memiliki bentuk amorf yang belum terbentuk struktur kristal sehingga perlu
diberikan perlakuan panas pada temperatur tinggi sedangkan untuk membentuk
struktur kristal anatase diperlukan temperatur dengan rentang 400oC-700
oC (Han
etal 2008)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
38
Gambar 41 Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 dengan Suhu
Calsinasi 600oC
Pengujian bubuk TiO2 menggunakan XRD Bruker D8 Advance Untuk
karakterisasi TiO2 dengan XRD digunakan sinar-X (X-ray) dengan panjang
gelombang Cu 015406 nm Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak ndash
puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDS database anatase
dan JCPDS database rutile (Lampiran 1)
Bubuk TiO2 yang telah disintesis memiliki kristalinitas yang baik dan
tajam Dengan kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron pada TiO2 akan
lebih cepat sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Arifin 2011)
Pelarutan TiCl4 dalam larutan alkohol mengakibatkan sistem menjadi asam
Larutan dengan sistem pelarut ethanol memiliki derajat keasaman yang lebih
tinggi dibandingkan sistem pelarut methanol karena dengan meningkatnya
jumlah atom karbon maka kecenderungan grup alkoxy untuk menggantikan Cl
menjadi lebih rendah sehingga lebih banyak Cl yang ada dalam sistem (Wilman
2007) Pada penelitian ini pelarut yang digunakan untuk melarutkan TiCl4 adalah
ethanol sehingga dihasilkan fase bi-kristal yaitu anatase dan rutile (Gambar 4 1)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
39
Hasil ini sesuai dengan penelitian Wilman (2007) dimana dengan bertambahnya
jumlah atom karbon pada pelarut maka sistem akan menjadi lebih asam dengan
keadaan ini cenderung untuk membentuk fasa rutile
Pola difraksi pada Gambar 41 menunjukkan puncak tertinggi memiliki
sudut 2θ sebesar 254009 Rentang sudut ini berdasarkan JCPDS database
anatase dan JCPDS database rutile merupakan fase kristal anatase dengan
bidang (101) Fase kristal TiO2 yang paling efektif sebagai lapis tipis sel surya
adalah anatase (Septina 2006) Keberadaan fase anatase akan menjadikan
semikonduktor mempunyai aktivitas fotokatalitik yang baik sementara fase rutile
akan membuat semikonduktor stabil sebagaimana sifat yang dimiliki oleh TiO2
rutile Meskipun demikian adanya campuran anatase dan rutile sangat
menguntungkan bagi konstruksi sel surya karena keberadaan rutile dalam lapis
tipis TiO2 juga bisa memperkecil kemungkinan rekombinasi elektron yang berada
pada pita konduksi Oleh karena itu lapis tipis TiO2
yang dihasilkan dalam
penelitian ini diharapkan cukup baik sebagai substrat zat warna untuk sistem
DSSC Data hasil XRD menunjukkan besarnya jarak antar bidang (d) kristal pada
masing-masing bidang ( Tabel 41 ) nilai jarak antar bidang (d) pada penelitian
ini sesuai dengan data JCPDS database anatase dan JCPDS database rutile
Tabel 41 Jarak Antar Bidang dan Fase bubuk TiO2 yang Disintesis
2 Ɵ hkl Ɵ Sin Ɵ
Fase
kristal
Jarak antar
bidang (d) Aring
254009 101 127005 022 Anatase 350
276012 110 138006 024 Rutile 323
362026 101 181013 031 Rutile 248
370527 103 185264 032 Anatase 242
379529 004 189765 033 Anatase 237
38703 112 19352 033 Anatase 232
48205 200 24103 041 Anatase 189
54055 105 27028 045 Anatase 170
55206 211 27603 046 Anatase 166
628068 002 314034 052 Rutile 148
689078 301 344539 057 Rutile 136
70508 220 35254 058 Anatase 133
75159 215 37580 061 Anatase 126
76109 301 38055 062 Anatase 125
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
40
Gambar 4 2 menunjukkan bubuk TiO2 yang telah disensitasi bubuk TiO2
tersebut berwarna putih Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada residu karbon
sehingga kristalinitasnya tinggi Menurut Han etal (2008) pembuatan bubuk
TiO2 diatas suhu 400oC menyebabkan material-material organik hilang akibat
adanya pemanasan pada temperatur tinggi sehingga kemampuan absorbsi di
daerah ultraviolet (UV) meningkat seiring dengan tingginya suhu kalsinasi begitu
juga dengan ukuran partikelnya juga akan semakin besar Dengan menggunakan
persamaan Scherrer (Septina 2006) nilai ukuran kristal TiO2 pada fase anatase
dengan bidang (101) sebesar 4667 nm Ukuran ini relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan hasil sintesis TiO2 yang dibuat oleh Timuda (2001) yaitu
sebesar 27040 nm Hal ini disebabkan pada saat setelah sintesis bubuk TiO2
tidak dilakukan proses penghalusan jika dilakukan penghalusan secara manual
mengakibatkan kerusakan pada struktur kristal TiO2
Semua bahan kristalin baik logam maupun non logam mempunyai
karakteristik pertumbuhan butir Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu
Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal yang kemudian
mempercepat difusi atom melalui batas butir Difusi atom terjadi karena kenaikan
suhu kalsinasi sehingga atom-atom akan bergetar dengan energi termal yang
lebih besar hal ini mengakibatkan material yang tidak homogen akan menjadi
homogen yaitu letak atom-atom lebih teratur melalui proses difusi (Lawrence
1994)
Gambar 42 Bubuk TiO2 Setelah dikalsinasi 600oC
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
41
Parameter kisi dapat diketahui dengan menggunakan metode analitik
Parameter kisi dapat ditentukan dengan nilai sudut yang bersesuaian dimana jika
menentukan parameter kisi a maka indeks Miller pada l = 0 dan jika parameter
kisi c maka indeks Miller pada l 0 Fase anatase dan rutile pada bubuk TiO2
memiliki sistem kristal tetragonal dengan sumbu a = b c dan = = = 90
Parameter kisi TiO2 dalam fase anatase berdasarkan data JCPDS yaitu a = 3785
Å dan c = 9513 Å Sedangkan fase rutile berdasarkan data JCPDS yaitu a = 4593
Å dan c = 2959 Å Nilai parameter kisi a dari penelitian ini ditunjukkan dalam
Tabel 42 sedangkan parameter kisi c ditunjukkan pada Tabel 43 dimana nilai
tersebut mendekati nilai parameter kisi pada data JCPDS
Tabel 42 Parameter kisi a pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal a(Aring)
200 Anatase 3771
110 Rutile 4565
Tabel 43 Parameter kisi c pada bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC
hkl Fase kristal c (Aring)
101 Anatase 9445
101 Rutile 2951
42 Analisis Morfologi Bubuk TiO2
Analisa morfologi lapisan tipis TiO2 pada substrat kaca menggunakan alat
Scanning Electron Microscopy (SEM) yang bekerja berdasarkan prinsip scan
sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang
didapatkan diubah menjadi gambar Dari gambar ini kemudian diolah
menggunakan CorelDraw X4 untuk mendapatkan ukuran partikel TiO2 yang telah
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
42
dilapiskan pada kaca konduktiv (TCO) setelah dilakukan proses dehidrolisis pada
suhu 450oC serta dianalisis morfologi dari lapisan TiO2 setelah proses
dehidrolisis
Lapis tipis TiO2 dibuat dari serbuk TiO2
yang sudah mengalami beberapa
perlakuan antara lain penambahan surfaktan pada proses pembuatan suspensi dan
proses pemanasan pada hot plate Adanya proses pemanasan dehidrolisis yang
ditujukkan untuk meningkatkan daya lekat lapis tipis pada substrat kaca Hal ini
diperkirakan mengakibatkan pemampatan kristal Hasil SEM lapis tipis TiO2 pada
suhu dehidrolisis 450oC disajikan pada Gambar 43
(a) (b)
Gambar 43 a Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 103 X
b Morfologi Permukaan Lapis Tipis TiO2 perbesaran 500 X
Secara visual lapis tipis TiO2 hasil metode slip-casting menunjukkan
morfologi permukaan yang tidak homogen dan tidak rata hal ini disebabkan
kurang halusnya bubuk TiO2 yang digunakan Setelah dilakukan furnace bubuk
TiO2 yang dihasilkan tidak dilakukan proses penggerusan (penghalusan) karena
akan merusak kekristalan TiO2 Selain itu viskositas larutan TiO2 yang digunakan
dalam proses pembuatan pasta TiO2 mempengaruhi kekuatan mekanik lapisan
TiO2 apabila viskositas yang digunakan terlalu tinggi maka kemungkinan terjadi
retakan pada lapis tipis TiO2 juga menjadi tinggi (Zico 2010) Metode yang
digunakan dalam deposisi larutan TiO2 juga mempengaruhi hasil lapisan dengan
menggunakan metode slip-casting mengakibatkan kurang ratanya lapisan yang
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
43
dihasilkan Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari
teknik deposisi yang digunakan agar permukaan lapis tipis TiO2 lebih rata
Pada perbesaran yang lebih tinggi terlihat morfologi permukaan lapis tipis
yang berongga (Gambar 43 b) morfologi lapis tipis yang berongga akan
memperbesar luas permukaan lapis tipis TiO2 Hal ini memberikan keuntungan
saat adsorpsi zat warna yaitu zat warna bisa teradsorpsi secara efektif pada
rongga-rongga lapis tipis TiO2 tersebut Selain itu adanya rongga-rongga tersebut
bisa mempermudah penyebaran larutan elektrolit dalam lapis tipis TiO2 elektroda
kerja sel surya (Septina 2006)
Pada Gambar 43 a serta 43 b terlihat partikel-partikel beraglomerasi
(bergerombolbergabung) ditunjukkan dengan struktur partikel yang bersambung
dengan partikel yang lain (close-packed particles) Hal ini disebabkan perlakuan
proses dehidrolisis pada temperatur tinggi yang menyebabkan proses difusi atom
menjadi lebih cepat (Lawrence 1994) sehingga partikel akan cenderung
membentuk aglomerasi yang lebih besar
Berdasarkan hasil SEM dapat diketahui ukuran partikel TiO2 setelah
dilakukan proses dehidrolisis pada suhu 450oC diatas hotplate Dengan
menggunakan CorelDraw X4 diperoleh ukuran butir TiO2 berdiameter rata-rata
sebesar 0092plusmn 0015 nm
43 Karakteristik Absorbansi dye dan Lapisan Tipis TiO2 yang Telah
Direndam
TiO2 meskipun stabil tetapi memiliki band gap energi yang lebar (dari
penelitian 32 eV) Sehingga titanium dioksida tidak menyerap cahaya tampak
tetapi hanya menyerap radiasi UV Absorbsi UV olehnya dapat menyebabkan
terjadinya radikal hidroksil yang menyebabkan pigment sebagai fotokatalis
Keterbatasan sifat semikonduktor TiO2 dapat diatasi dengan memodifikasi
permukaan atau struktur semikonduktor Penggunaan bahan pewarna (sensitizer)
merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat semikonduktor dengan
meningkatkan kisaran respon panjang gelombang visibel dari bahan
semikonduktor (Setiya 2005)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
44
Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak antosianin terlebih dahulu
diuji spektrum absorbsinya menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda
25 Spektrum absorbansi diukur pada rentang panjang gelombang 350 nm ndash 800
nm Spektrum absorbansi masing-masing diukur untuk dye antosianin dalam
bentuk larutan ethanol asam citrat aquades (5 1 4) dan pada lapisan TiO2
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi (Gambar 45) memperlihatkan bahwa
spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup dari pita violet
hingga kuning (430-576 nm) dengan panjang gelombang maksimum (λmax) pada
sekitar 530 nm Hal ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan
(Gambar 44)
Gambar 44 Ekstrak dye dengan Warna Merah dan Lapisan TiO2 yang
direndam
Gambar 4 5 Spektrum Absorbansi dye mawar merah (Rosa damascena Mill)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
45
Gambar 46 Spektrum Absorbansi Dye dan Lapisan TiO2 dengan Variasi
Waktu Perendaman
Gambar 46 terlihat bahwa lamanya perendaman mempengaruhi nilai absorbansi
Hal ini disebabkan karena semakin lama waktu perendaman semakin tinggi
konsentrasi molekul antosianin yang teradsorpsi pada permukaan partikel TiO2
Gambar 45 dan gambar 46 terlihat bahwa spektrum absorbansi dye
antosianin pada lapisan TiO2 mengalami pergeseran akibat perubahan warna dye
antosianin setelah teradsorbsi pada lapisan TiO2 (dari warna kemerahan menjadi
keunguan) Perubahan warna ini sebagai akibat terjadinya ikatan antara kromofor
dye dari antosianin dengan Ti (IV) dari TiO2 dimana sebuah ion OH- dari Ti (IV)
berikatan dengan sebuah ion H+ dari dye antosianin membentuk satu molekul
H2O Serapan (adsorbsi) pada permukaan TiO2 ini membentuk quinoidal yang
mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit
mengandung bentuk flavilium (sebagai penyebab warna merah) Semakin lama
perendaman maka warna lapisan semakin gelap (ungu tua) Sedangkan nilai
absorbans dipengaruhi oleh kandungan antosianin yang ada dalam larutan dan
yang terserap (terabsorbsi) pada permukaan TiO2 dimana kandungan antosianin
sebanding dengan cahaya yang diserap
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
46
44 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan Rangkaian
Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik
arus-tegangan (I-V) pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya
lampu Halogen 24 watt dengan intensitas 2622 Wm2 dan dengan mengatur
hambatan yang digunakan Adapun rangkaian yang digunakan seperti pada
Gambar 47
Gambar 47 Rangkaian Pengujian sel DSSC
Dengan memvariasi nilai hambatan maka akan diperoleh nilai arus dan
tegangan yang dihasilkan dari sel surya tersebut Pada penelitian ini dilakukan
variasi perendaman sehingga dapat diketahui bagaimana pengaruh perendaman
terhadap efisiensi sel surya yang dibuat Dari pengujian rangkaian didapatkan
hasil arus tegangan dan nilai efisiensi (Tabel 44)
Tabel 44 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan Rangkaian
Waktu
perendaman Voc (v)
Isc
(μA) EF () EF
1 jam 029 27 000086 (86plusmn43)x10-4
12 jam 039 59 00036 (36plusmn18)x10-3
24 jam 04 65 00037 (37plusmn18)x10-3
36 jam 04 14 00077 (77plusmn038)x10-2
Hasil karakterisasi arus-tegangan sel surya ditunjukkan pada Gambar 48
masing-masing untuk sel yang direndam dye antosianin selama 1 jam 12 jam 24
jam dan 36 jam Kedua kurva arus-tegangan yang diperoleh menunjukkan pola
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
47
yang belum sempurna dimana kurva I-V untuk perendaman 12 jam dengan 24
jam hampir sama meskipun nilai Voc pada waktu perendaman 24 jam lebih tinggi
dibandingkan dengan perendaman 12 jam Hasil kurva I-V ini masih lebih baik
daripada yang diperoleh oleh Latifah (2007) Hal ini ini dikarenakan pada sel
surya Latifah (2007) sumber cahaya yang digunakan berupa cahaya matahari
Cahaya matahari intensitasnya tidak tetap setiap jam berbeda-beda tergantung
cuaca pada hari tersebut Sedangkan pada penelitian ini menggunakan sumber
cahaya dari sinar lampu halogen Lampu ini biasanya digunakan sebagai sumber
cahaya tampak lampu ini menghasilkan cahaya tampak dalam daerah panjang
gelombang 350-2500 nm Tampak juga bahwa kurva untuk sampel yang
direndam selama 36 jam lebih tinggi daripada yang direndam dye selama 1 jam
12 jam dan 24 jam hal ini mengindikasikan bahwa kinerja sel dengan
perendaman dye lebih lama memiliki performa lebih baik
Gambar 48 Kurva I-V sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman
45 Karakteristik ArusndashTegangan Sel Surya dengan I-V meter Keithley
Sistem sel surya dalam pengujian ini bertindak seperti dioda yang memiliki
sifat menyearahkan (rectifying) arus bolak-balik Sistem sel surya dikatakan mati
apabila arus yang dihasilkan sistem saat tegangan 0 (Isc) bernilai nol ini
menandakan bahwa dalam sistem tersebut tidak terjadi aliran elektron yang bisa
menghasilkan arus listrik Hal ini akibat sambungan semikonduktor tipe-p dan
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
48
tipe-n apabila semikonduktor tipe-p disentuhkan dengan semikonduktor tipe-n
maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari
tipe-n menuju tipe-p Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif
pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p Batas tempat
terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut daerah deplesi
Elektron lebih yang memasuki bahan tipe-p menyebabkan sisi daerah deplesi
bermuatan negatif yang cenderung menarik elektron lainnya dari daerah n Dalam
keadaan setimbang tumpukan elektron yang cukup banyak akan menghentikan
sama sekali aliran elektron Adanya beda muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi
selanjutnya Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift namun
arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus
listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut Elektron
adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik Kehadiran
medan listrik pada elektron mengakibatkan elektron bergerak
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan
elektron dan hole pada semikonduktor tersebut Lepasnya pembawa muatan
tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi Pada
keadaan ini arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara
keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift yaitu arus yang dihasilkan karena
munculnya medan listrik Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya
sambungan p-n sebagai arus listrik
Kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh konstruksi sistem sel surya itu
sendiri seperti elektroda kerja (working electrode elektroda lawan (counter
electrode) dan larutan elektrolit yang digunakan Selain itu kinerja alat ukur juga
bisa mempengaruhi pengukuran kinerja sel surya Gambar 49 merupakan gambar
pengujian dengan menggunakan alat I-Vmeter Keithley
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
49
Gambar 4 9 Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley
Pada pengukuran I-V sel surya elektroda kerja dan elektroda lawan disusun
seperti sandwich Pada ruang antara elektroda kerja (working electrode) dan
elektroda lawan (counter electrode) dan diantara keduanya disisipkan elektrolit
Arus yang terbaca hasil variasi tegangan dibuat kurva I vs V untuk mengetahui
kinerja sel surya Kurva I-V setiap sel DSSC dengan variasi waktu perendaman
ditunjukkan pada Gambar 410 Dari gambar tersebut terlihat pada perendaman 36
jam menghasilkan Voc tertinggi Hal ini menunjukkan bahwa semakin lama
waktu perendaman maka semakin banyak dye yang terabsorb sehingga
mempengaruhi kinerja sel surya yang baik
Elektron dalam sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang
tereksitasi karena mendapat cahaya pada daerah cahaya tampak kemudian akan
diinjeksi ke dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 Terjadinya injeksi elektron
zat warna ke dalam pita konduksi TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi atau
ikatan antara zat warna dengan TiO2 Jika tidak terjadi interaksiikatan antara zat
warna dan TiO2 elektron lebih sulit mengalami injeksi sehingga tidak terjadi
aliran elektron yang kemudian menghasilkan sistem sel surya yang mati Sistem
sel surya juga bisa mati karena terjadinya short pada sistem akibat kontak
langsung elektroda kerja (working electrode) dan elektroda lawan (counter
electrode) Hal ini bisa terjadi jika larutan elektrolit tidak terdistribusi secara
merata pada seluruh permukaan kontak elektroda kerja - elektroda lawan Oleh
karena itu penggunaan spacer (jeda) dari bahan polimer berfungsi untuk menahan
elektrolit supaya tidak kemana-mana (terbuang) (Yang-Shian etal 2007)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
50
(a)
(b)
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
51
(c)
(d)
Gambar 4 10 (a) Kurva I-V dengan waktu perendaman 1 jam
(b) Kurva I-V dengan waktu perendaman 12 jam
(c) Kurva I-V dengan waktu perendaman 24 jam
(d) Kurva I-V dengan waktu perendaman 36 jam
Dari Gambar 410 terbukti bahwa semakin lama perendaman semakin
banyak dye yang menempel pada substrat yang dibuat sehingga kemampuan untuk
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
52
menyerap cahaya pun semakin tinggi Sel surya ini bersifat fotovoltaik Semakin
lama waktu perendaman pada dye maka efisiensi sel surya semakin tinggi seperti
yang terlihat pada Tabel 45 Hal ini membuktikan bahwa perendaman 36 jam
menghasilkan efisiensi paling tinggi
Tabel 45 Efisiensi Sel Surya dengan Variasi Perendaman dengan I-Vmeter
Keithley
Waktu
Rendaman Voc (V) Isc (A) EF () EF
1 jam 0308 439 846 10-4 (846 plusmn 33)10-4
12 jam 0056 29 1006 10-4 (1006 plusmn 49)10-4
24 jam 0207 119 1542 10-4 (1542 plusmn71)10-4
36 jam 0404 471 11794 10-4 (11794 plusmn 57)10-4
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5 1 Kesimpulan
1 Telah difabrikasi sel surya dye sensitized solar cell (DSSC) dengan
dye alami berbasis antosianin ekstrak mawar merah (Rosa damascena
Mill) dan elektrolit kopel redoks I-I
3- dan mengandung polimer PEG
(Polyethylene Glycol) Dengan adanya arus dan tegangan yang
dihasilkan sel ini terbukti dapat mengkonversi energi surya menjadi
energi listrik
2 Dye antosianin dari ekstrak bunga mawar merah (Rosa damascena
Mill) yang mmempunyai daerah serapan optik (430-576 ) nm dan
mencapai maksimum pada panjang gelombang 531 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 3378 Selain itu panjang gelombang serapan
maksimum (λmax) lapisan TiO2 yang telah direndam pada dye selama
1 jam adalah 448 nm dengan nilai absorbansi sebesar 250 untuk 12
jam perendaman panjang gelombang serapan maksimum 480 nm
dengan nilai absorbansi 287 untuk 24 jam perendaman panjang
gelombang serapan maksimum sebesar 481 nm dengan nilai
absorbansi sebesar 321 sedangkan untuk 36 jam perendaman
mempunyai panjang gelombang maksimum sebesar 4855 dengan
nilai absorbansi sebesar 352 Sehingga semakin lama perendaman
nilai absorbansi lapisan TiO2 yang tersensitasi dye juga semakin besar
sehingga semakin tinggi penyerapan cahayanya
3 Hasil karakterisasi I-V dengan rangkaian menunjukkan bahwa
prototipe sel surya memiliki efisiensi (86plusmn43)10-2
untuk sampel
rendam 1 jam (36plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 12 jam
(37plusmn18)10-1
untuk sampel rendam 24 jam dan (77plusmn038) untuk
sampel dengan perendaman 36 jam Sedangkan dengan menggunakan
I-V meter Keithley sel DSSC ini memiliki efisiensi sebesar
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen
perpustakaanunsacid digilibunsacid
commit to user
54
(846plusmn33)10-2
untuk perendaman 1 jam (1006plusmn49)10-2
untuk
perendaman 12 jam (1542plusmn71)10-2
untuk perendaman 24 jam dan
(11794plusmn57)10-2
untuk perendaman 36 jam
52 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan beberapa hal diantaranya
1 Dalam pembuatan bubuk TiO2 diharapkan untuk memperhitungkan
keasaman larutan karena keasaman dari larutan mempengaruhi fasa
kristal TiO2 yang terbentuk Larutan yang lebih asam akan memiliki
kecenderungan yang lebih tinggi untuk membentuk fasa rutile
2 Selain itu ketebalan masing-masing lapisan perlu diperhatikan dengan
cara mencari teknik deposisi yang lebih baik sehingga lapisan yang
dihasilkan homogen