i

DYE-SENSITIZED SOLAR CELL POLISTIRENA

TERSULFONASI-TiO2 DENGAN ZAT WARNA

DARI UMBI BIT MERAH

ANISA NURRAHMAWATI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2017

ii

iii

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Dye-sensitized Solar

Cell Polistirena Tersulfonasi-TiO2 dengan Zat Warna dari Umbi Bit Merah adalah

benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam

bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal

atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain

telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir

skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.

Bogor, Maret 2017

Anisa Nurrahmawati

NIM G44120062

ii

ABSTRAK

ANISA NURRAHMAWATI. Dye-sensitized Solar Cell Polistirena Tersulfonasi-

TiO2 dengan Zat Warna dari Umbi Bit Merah. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan

ARMI WULANAWATI.

Polimer membran elektrolit adalah polimer yang mampu menghantarkan

elektron karena memiliki gugus elektrofilik atau hidrofilik yang dimilikinya, seperti

gugus sulfonat. Polistirena tersulfonasi (PSS) disintesis dari polistirena (PS) yang

direaksikan dengan asam sulfat berasap selama 2 jam. Derajat sulfonasi (DS) PSS

yang didapatkan adalah 30.79% dan produk ini dicirikan dengan fourier transform-

infrared (FTIR). Spektra FTIR yang diperoleh menunjukkan serapan dari

keberadaan gugus sulfonat pada serapan 707.87, 1068.56, 1371.38, dan 1728.21

cm-1. Sumber zat pewarna yang digunakan pada penelitian ini adalah umbi bit

merah. Serapan maksimum umbi bit merah yang dikonfirmasi dengan spektrum

UV-Vis terlebih dahulu dan hasilnya menunjukkan bahwa serapan maksimum umbi

bit merah adalah pada panjang gelombang 533 nm. Sementara itu, semikonduktor

yang digunakan dalam penelitian adalah titanium dioksida (TiO2). Hasil efisiensi

dye-sensitized solar cell (DSSC) rangkaian adalah TiO2 0.01%, TiO2/PS 0.005%

dan TiO2/PSS 0.02%. Berdasarkan hasil tersebut, PSS berpotensi untuk dijadikan

membran elektrolit pada DSSC dengan meningkatnya efisiensi dibandingkan TiO2

saja ataupun TiO2/PS. Akan tetapi, walaupun, DSSC yang dihasilkan masih

memperlihatkan kinerja yang rendah (< 1%).

Kata kunci: DSSC, membran elektrolit, polistirena tersulfonasi, umbi bit merah

ABSTRACT

ANISA NURRAHMAWATI. Dye-Sentisized Solar Cell TiO2-Sulfonated

Polystyrene with Beetroot Pigment. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI

WULANAWATI.

Electrolyte membrane polymer is a polymer that is able to deliver electron

because of both its electrophilic and hydrophilic functional group, such as sulfonate.

Sulfonated polystyrene (PSS) was synthesized from polystyrene (PS) by reacting it

with fuming sulfuric acid for 2 hours. Sulfonation degree (DS) of obtained PSS in

this research was 30.79% and the product was characterized using fourier

transform-infrared (FTIR). FTIR spectra showed the presence of sulfonate group at

the uptake 707.87, 1068.56, 1371.38, and 1728.21 cm-1. Dying agent that was used

in this research was gained from beetroot. The maximum absorbance of beetroot

was confirmed using UV-Vis and showed that the maximum absorbance of beetroot

was at wavelength 533 nm. Semiconductor that was used in this research was

titanium dioxide (TiO2). The result of dye-synthesized solar cell (DSSC) efficiency

of the series are TiO2 0.01%, TiO2/PS 0.005% and TiO2/PSS 0.02%. The result lead

to a conclusion that PSS is potential to be used as electrolyte membrane on DSSC

since the efficiency increasing compared to TiO2 either TiO2/PS. Despite the

resulted DSSC still showed a lower performance (<1%).

Keyword: beetroot, DSSC, electrolyte membrane, sulfonated polystyrene.

iv

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains

pada

Departemen Kimia

DYE-SENSITIZED SOLAR CELL POLISTIRENA

TERSULFONASI-TiO2 DENGAN ZAT WARNA

DARI UMBI BIT MERAH

ANISA NURRAHMAWATI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2017

iii

v

vii

PRAKATA

Puji syukur penulis haturkan kepada Allah SWT yang telah memberikan

anugerah dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang

berjudul Dye-sensitized Solar Cell Polistirena Tersulfonasi-TiO2 dengan Zat Warna

dari Umbi Bit Merah. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang

dilaksanakan penulis pada bulan Mei 2016 hingga Januari 2017 di Laboratorium

Kimia Fisik Departemen Kimia IPB dan Laboratorium Biomaterial Departemen

Fisika.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr Sri Mulijani, MS dan Armi

Wulanawati, SSi, MSi selaku pembimbing atas bimbingan dan dukungan yang

diberikan kepada penulis selama melakukan penelitian dari awal hingga selesai.

Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu (Munawaroh) dan Bapak

(Udin Haerudin), Kakak, beserta seluruh keluarga atas do’a, dukungan, perhatian,

dan pengertiannya. Terima kasih penulis juga sampaikan kepada pihak-pihak di

Laboratorium Kimia Fisik IPB, antara lain Bapak Mail dan Ibu Ai. Terima kasih

juga pihak Departemen Fisika Bapak Dr Akhirudin Maddu, MSi, dan pihak

BATAN Bapak Drs Erizal, APU. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada

teman-teman, Nazmu, Mahwan, Aziz, Sandithya, Yudhi, Melisa, Indah, Ridha,

Hanna, dan rekan-rekan seperjuangan penelitian, dan teman-teman Kimia 49 atas

perhatian, saran, dan bantuannya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi penulis maupun pembaca.

Bogor, Maret 2017

Anisa Nurrahmawati

viii

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR vii

DAFTAR LAMPIRAN vii

PENDAHULUAN 1

BAHAN DAN METODE 2

Alat dan Bahan 2

Metode Penelitian 2

HASIL DAN PEMBAHASAN 4

Membran Polistirena Tersulfonasi 4

Derajat Sulfonasi 5

Ciri Membran PSS dengan FTIR 5

Karakteristik Umbi Bit Merah 6

Aplikasi DSSC 7

SIMPULAN DAN SARAN 10

Simpulan 10

Saran 10

DAFTAR PUSTAKA 10

LAMPIRAN 13

ix

DAFTAR GAMBAR

1 Reaksi sulfonasi (Mulijani et al. 2014) 5 2 Spektrum FTIR PS (–) dan PSS (–) 6 3 Struktur betasianin 7

4 Struktur lapisan komponen DSSC 7

5 Prinsip kerja DSSC 8 6 Kurva I-V DSSC (a) TiO2, (b) TiO2/PS, (c) TiO2/PSS 9

DAFTAR LAMPIRAN

1 Diagram alir penelitian 13 2 Penentuan derajat sulfonasi 14 3 Penentuan panjang gelombang maksimum umbi bit merah dengan UV-Vis 14 4 Hasil pengukuran tegangan dan arus DSSC 15 5 Hasil uji kinerja DSSC 16

PENDAHULUAN

Seiring berjalannya waktu, kebutuhan energi terus meningkat sehingga perlu

upaya untuk mengembangkan berbagai energi alternatif seperti energi surya.

Berdasarkan posisi Indonesia pada garis khatulistiwa yang memungkinkan

diperolehnya sinar matahari secara optimal, maka sinar matahari dapat

dimanfaatkan untuk mengkonversi energi surya menjadi energi listrik. Sel surya

merupakan alat yang mampu merubah energi sinar matahari menjadi energi listrik.

Efek fotovoltaik merupakan dasar dari proses konversi sinar matahari (foton)

menjadi listrik. Perkembangan yang menarik dari teknologi sel surya saat ini adalah

sel surya yang dikembangkan oleh Grätzel pada tahun 1991 (O’ Regan dan Grätzel

1991). Sel ini terdiri dari sebuah lapisan partikel nano (TiO2) yang direndam dalam

sebuah fotosensitizer (pemeka cahaya). Sel ini sering juga disebut dengan sel

Grätzel atau dye sensitized solar cells (DSSC). Tingginya efisiensi konversi energi

surya menjadi listrik dari DSSC merupakan daya tarik berkembangnya riset

mengenai DSSC di berbagai negara akhir-akhir ini, selain dari proses produksi yang

sederhana dan biaya produksi yang murah. DSSC dengan bahan dasar TiO2 secara

umum kinerjanya masih belum tergantikan (Lee dan Kim 2009).

Dye Sensitized Solar Cells adalah sel surya yang memanfaatkan energi dari

sinar tampak yang akan diserap oleh zat aktif cahaya. Rangkaian DSSC terdiri dari

berbagai komponen, yaitu kaca konduktif Indium Tin Oxide (ITO), semikonduktor

TiO2, polistirena, pewarna organik maupun anorganik, elektrode lawan, dan

elektrolit. Kaca konduktif ITO merupakan kaca transparan yang bersifat konduktor

dan berfungsi sebagai substrat pada DSSC untuk elektrode kerja maupun elektrode

lawan. Kaca konduktif ITO untuk elektrode kerja dilapisi dengan TiO2 dan zat

warna yang berfungsi menyerap cahaya secara aktif (Dahlan dan Fahyuan 2014).

Elektrolit yang umum digunakan dalam DSSC adalah pelarut organik berbentuk

cair yang mengandung sistem redoks.

Efisiensi konversi foton menjadi arus listrik untuk sel surya yang

menggunakan elektrolit organik cair memberikan efisiensi sebesar 11%, efisiensi

DSSC tersebut masih tergolong rendah (Hersch dan Kenneth 1982). Upaya

meningkatkan efisiensi dapat digunakan material semikonduktor dengan ukuran

nanometer atau bahkan lebih kecil, seperti titanium dioksida (TiO2). Selain itu,

penambahan polistirena yang terlebih dahulu disulfonasi dan penggunaan zat warna

(dye) yang mampu menyerap secara maksimal terhadap spektrum cahaya. Sejauh

ini dye yang digunakan sebagai sensitizer dapat berupa dye sintesis maupun dye

alami. Dye sintesis cukup mahal dibandingkan dye alami yang cukup murah karena

dapat diekstraksi dari tumbuhan (Huang et al. 2010). Namun menurut Zafira 2016

hasil penelitian yang telah dilakukannya terhadap DSSC dengan pewarna ekstrak

kulit Garcinia Mangostana L yang memiliki kadar antosianin 59.3 mg/100 gram

menghasilkan efisiensi masih rendah yaitu 0.008 %. Oleh karena itu, penelitian ini

menggunakan umbi bit merah karena mengandung pigmen betasianin yang dapat

menghasilkan warna merah keunguan dan memiliki kadar betasianin 84-90 mg/100

gram (Ananda 2008). Selain itu, senyawa betasianin merupakan senyawa fenol

yang tersubstitusi oleh gugus glikosida pada posisi orto dan mempunyai gugus aktif

cahaya (kromofor) (Setiawan et al. 2015). Penelitian ini dilakukan untuk membuat

polistirena tersulfonasi, meningkatkan efisiensi DSSC, dan menentukan serapan

maksimum umbi bit merah.

BAHAN DAN METODE

Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan adalah alumunium foil, botol gelap, alat-alat gelas,

oven, pengaduk bermagnet, pipet volumetrik 10 mL, pipet mohr 10 mL,

spektrofotometer UV-Vis Shimadzu, fourier transform-infrared (FTIR) Shimadzu,

potensiometer-multimeter, lempeng pemanas, fotometer-radiometer PMA2200,

penjepit kertas, termometer, kaca untuk cetakan, kertas tisu, porselin, neraca

analitik, sarung tangan lateks, dan sonikator. Bahan-bahan yang digunakan adalah

kaca konduktif indium titanium oksida (ITO) 15–25 Ω (Solaronix), serbuk titanium

dioksida (TiO2) rutil (> 35 nm), umbi bit merah (sumber: Bandung), styrofoam,

Triton X-100 (Merck), NaOH, HCl, Na₂CO₃, C2H6O, C6H8O7, HNO3, KI, Iodin,

dan CH3OH.

Metode Penelitian

Metode yang dilakukan pada penelitian ini yaitu sulfonasi polistirena,

polistirena tersulfonasi dikarakeristik menggunakan FTIR, preparasi pasta TiO2,

preparasi elektroda kerja, pembuatan larutan pewarna dan penentuan λ maksimum,

perendaman elektroda kerja pada pewarna, kaca ITO terlapis TiO2 dilapisi PSS

(TiO2/PSS), dan pengujian DSSC (Lampiran 1).

Preparasi Polistirena Tersulfonasi (Mulijani et al. 2014)

Limbah styrofoam dipanaskan di dalam oven pada suhu 100 ºC selama 1–2

jam. Sebanyak 5 g styrofoam kering dilarutkan ke dalam 50 mL kloroform,

kemudian disulfonasi dengan asam sulfat pekat (oleum) sambil diaduk dengan

pengaduk magnet selama + 2 jam pada suhu 60–80 ºC. Kemudian larutan PSS

didekantasi dan dikeringkan selama 24 jam pada suhu ruang lalu terbentuk

membran polistirena tersulfonasi.

Penentuan Derajat Sulfonasi (Modifikasi Martins et al. 2007)

Sebanyak 0.1 g PSS direndam selama + 3 hari dalam 10 mL NaOH 1.0004

N. Kemudian larutan dititrasi dengan HCl 1.1771 N yang telah distandardisasi

dengan natrium karbonat dan menggunakan indikator fenolftalin (pp). Titrasi

dilakukan sampai terjadi perubahan warna dari merah muda hingga tak berwarna.

Volume HCl yang terpakai pada titrasi NaOH tanpa sampel sebagai volume HCl,

sedangkan volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH dengan sampel sebagai

volume HCl sampel. Derajat sulfonasi ditentukan melalui persamaan berikut:

3

DS=(V HCl -V HCl sampel)x NHClx BESO3

bobot sampel x100%

Keterangan:

VHCl blanko : volume HCl yang terpakai untuk blangko (mL)

VHCl sampel : volume HCl yang terpakai untuk sampel (mL)

NHCl : normalitas HCl (N)

BESO3 : bobot ekuivalen SO3 (80, 06 g/ek)

Penentuan Gugus Fungsi Menggunakan FTIR

Sampel membran polistirena tersulfonasi dibuat dalam bentuk lapisan tipis

kemudian ditempatkan dalam cell holder dan diukur spektrumnya menggunakan

fourier transform-infrared (FTIR) Shimadzu dengan kondisi alat yang masih baik

untuk melihat masuknya gugus fungsi sulfonat (-SO3H) ke dalam PSS.

Preparasi Ekstraksi Dye (Setiawan et al. 2015)

Umbi bit merah dihaluskan menggunakan blender, lalu ditimbang sebanyak

10 gram, kemudian ditambahkan etanol 50 mL dan asam sitrat 50 mL, direndam

selama 40 menit. Larutan kemudian disaring menggunakan kertas saring Whatman.

Hasil ekstraksi disimpan dalam botol gelap (suhu 20˚C).

Penentuan Panjang Gelombang Maksimum Zat Warna Umbi Bit Merah

Penentuan tingkat penyerapan warna dari umbi bit merah yang digunakan

sebagai pewarna yang dianalisis menggunakan Spektrofotometer UV-Vis

Shimadzu UV-1601 dengan kisaran panjang gelombang yang digunakan 500–700

nm.

Preparasi Elektrode Sel Surya

Sebanyak 1 g serbuk TiO2 dimasukkan ke dalam gelas piala 100 mL,

kemudian ditambah dengan 10 mL asam nitrat pH 5 dan beberapa tetes triton-X

100. Larutan TiO2 diaduk menggunakan pengaduk magnetik selama 30 menit.

Sementara itu, kaca ITO dibersihkan dengan etanol dalam sonikator dan

dikeringkan pada suhu ruang. Bagian konduktif kaca ITO diuji menggunakan

multimeter mode resistansi (Ω) yang akan menunjukkan nilai hambatan 15–25 Ω.

Kaca ITO yang telah dibersihkan disimpan di atas tempat datar untuk diberi batas

dengan luasan terbuka 0.5 × 0.5 cm2 dengan posisi konduktifnya di bagian atas

untuk dilapisi TiO2. Setelah pasta TiO2 homogen, pasta tersebut dituang di atas kaca

ITO dan diratakan dengan batang pengaduk. Kaca ITO berlapis TiO2 tersebut

dibiarkan beberapa saat agar mengering, kemudian dipanaskan pada suhu 150–300

ºC untuk mengaktivasi TiO2. Larutan iodida/triiodida dibuat dengan melarutkan 0.8

gram potasium iodida menggunakan metanol. Setelah itu ditambahkan 0.127 gram

iodin dan diaduk hingga homogen. Larutan KI hanya dibuat dengan melarutkan 8.3

gram potasium iodida ke dalam aquades 100 mL.

Elektrode kerja terdiri atas kaca konduktif ITO yang dilapisi TiO2 pasta yang

telah direndam dalam larutan zat warna umbi bit merah selama + 2 jam. Elektroda

pembanding dibuat dari pelapisan sisi konduktif kaca ITO dengan lapisan karbon.

Dicari terlebih dahulu sisi konduktif kaca ITO lalu kaca tersebut dipanaskan di atas

nyala api lilin untuk mendapatkan lapisan karbon. Lama pemanasan berlangsung

hingga lapisan kaca berwarna hitam dan ketebalannya dapat dilihat secara merata.

Pasta TiO2 digunakan sebagai lapisan pertama pada kaca ITO. Setelah dilapisi TiO2,

dilapisi kembali dengan PS dan PSS yang sebelumnya telah ditetesi larutan

iodida/triiodida.

Pengujian Aplikasi DSSC

Kaca konduktif ITO yang telah dilapisi TiO2, PS atau PSS, dan telah

disensitasi (elektrode kerja) dicelupkan ke dalam larutan KI 0.5 M dalam bejana.

Kemudian, elektrode kerja dihubungkan dengan alat pengukur kombinasi

potensiometer-multimeter. Elektrode kerja dihubungkan dengan elektrode lawan

platina (Pt), pengukuran dilakukan di bawah terik matahari (Adachi dan Hoshi

2013).

Pengukuran arus dan tegangan menggunakan sumber cahaya matahari

langsung dengan intensitas global rerata 88 W/m2 yang terukur oleh fotometer-

radiometer PMA 2200. Data yang dihasilkan dibuat kurva arus-tegangan (I-V). Dari

kurva yang dihasilkan dapat ditentukan parameter-parameter keluaran sel surya,

yaitu arus rangkaian pendek (Isc), tegangan rangkaian buka (Voc), arus maksimum

(Im), tegangan maksimum (Vm), daya maksimum (Pm), fill factor (FF), dan efisiensi

konversi (ƞ). Nilai Isc diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai nol sehingga

arus yang mengalir bernilai maksimum, sedangkan nilai Voc dapat diukur pada saat

hambatan luar dibuat bernilai maksimum sehingga tidak ada arus listrik yang

mengalir dan tegangannya bernilai maksimum. Nilai Im dan Vm DSSC dapat dilihat

dari luasan terbesar pada kurva karakteristik I-V.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Membran Polistirena Tersulfonasi

Polimer membran elektrolit (PME) adalah polimer yang mampu

mengantarkan elektron, karena bersifat konduktif dengan adanya gugus elektrofilik

(Gledhill et al. 2005). Penelitian ini menggunakan polistirena (PS) dan polistirena

tersulfonasi (PSS) dari bahan utama styrofoam yang mengandung polistirena (PS)

90–95%. Sebagai PME, polistirena adalah salah satu polimer yang memiliki cincin

benzena dengan ikatan terkonjugasi (Mujiarto 2005). Polistirena tersulfonasi (PSS)

dihasilkan dari proses sulfonasi pada polistirena (Smitha et al. 2003). Sebelum

dilakukan sulfonasi, polistirena dilarutkan terlebih dahulu menggunakan kloroform.

Kloroform merupakan pelarut organik dan polistirena dapat larut pada pelarut

organik (Cowd 1991).

Sulfonasi merupakan reaksi substitusi dengan menambahkan gugus sulfonat

(-SO3-) pada benzena dalam polistirena dengan agen pensulfonasi atau bahan

sulfonasi seperti oleum (Gambar 1). Sehingga sifat non polar pada polistirena

menjadi bersifat polar setelah adanya gugus asam sulfonat. Subtitusi gugus asam

sulfonat pada PS meningkatkan hidrofilisitas dan memberikan konduktivitas yang

lebih besar, sehingga mampu meningkatkan kapasitas pengumpulan elektron pada

semikonduktor (Mulijani et al. 2014). Gugus sulfonat pada polistirena tersulfonasi

5

mampu menghantarkan proton (Smitha et al. 2003), baik secara langsung dengan

mentransferkan protonnya antar gugus –SO3H maupun secara tidak langsung

dengan suatu media. Transfer proton akan lebih mudah jika terbentuknya ikatan

hidrogen antar gugus –SO3H atau antara gugus –SO3H dengan media seperti air.

Gambar 1 Reaksi sulfonasi (Mulijani et al. 2014)

Derajat Sulfonasi

Derajat sulfonasi (DS) merupakan rerata jumlah gugus sulfonat yang diperoleh

dari polimer tersulfonasi. Derajat sulfonasi dipengaruhi oleh banyaknya jumlah

gugus sulfonat yang terikat pada cincin benzena dan meningkatnya gugus sulfonat

dapat menambah sifat hidrofilik sehingga kemampuan polimer mentransfer proton

lebih besar.

Pada penelitian ini dihasilkan nilai DS dengan rerata 30.79% (Lampiran 2).

Berdasarkan strukturnya dapat dikatakan bahwa keberadaan gugus sulfonat yang

berarti gugus penarik elektron menyebabkan cincin benzena lebih aktif beresonansi

menghasilkan electron hole (Yang et al. 2005).

Ciri Membran PSS dengan FTIR

Polistirena tersulfonasi dikatakan berhasil berdasarkan pengukuran DS

dengan titrasi asam-basa. Namun hasil sulfonasi ini harus dibuktikan dengan

identifikasi gugus –SO3H pada PSS menggunakan FTIR (Gambar 2). Spektrum PS

menunjukkan puncak serapan pada bilangan gelombang 1601–1452 cm-1 untuk

C=C aromatik, 1943–1772 cm-1 untuk benzena monosubtitusi, 2925–2850 cm-1

untuk C-H (sp2), 3082–3026 cm-1 untuk C-H (sp3), dan 757–701 cm-1 untuk C-H

monosubtitusi.

Gambar 2 Spektrum FTIR PS (–) dan PSS (–)

Adanya gugus sulfonat pada PSS dibuktikan dengan puncak serapan baru

pada bilangan gelombang 1350 cm-1 untuk regang –S=O asimetrik, 1150 cm-1 untuk

regang O=S=O simetrik dan 650 cm-1 untuk regang S–O. Daerah serapan untuk

senyawa benzena disubtitusi posisi para- berada pada bilangan gelombang 2000–

1667 cm-1 (Pavia et al. 2015). Spektrum membran PSS menunjukkan puncak

serapan pada bilangan gelombang 1371.38 cm-1 untuk regang –S=O asimetrik,

1068.56 cm-1 untuk regang O=S=O simetrik, 707.87 cm-1 untuk regang S–O dan

1728.21 cm-1 untuk regang p–SO3H. Hal ini dapat menunjukkan bahwa membran

PSS telah terbentuk gugus sulfonat. Tetapi pada bilangan gelombang sekitar 3000

cm-1 terdapat puncak benzena yang sangat tajam, hal ini dimungkinkan adanya

kontaminasi saat pembuatan PSS.

Karakteristik Umbi Bit Merah

Umbi bit merah diekstraksi menggunakan campuran etanol dan asam sitrat,

agar etanol dapat mengekstraksi senyawa betasianin lebih banyak maka

ditambahkan asam sitrat. Asam sitrat berfungsi untuk menurunkan tingkat

kepolaran etanol atau menurunkan pH etanol, karena betasianin pun stabil pada pH

5 sedangkan etanol mempunyai pH 7. Pencirian dengan UV-Vis dilakukan untuk

mengetahui serapan maksimum umbi bit pada daerah sinar tampak. Serapan

maksimum didapatkan dengan melakukan pemayaran pada kisaran panjang

gelombang 500–700 nm. Hasil pengukuran ditunjukkan pada puncak panjang

gelombang maksimum pada 533 nm (Lampiran 3).

Hasil pengukuran serapan maksimum umbi bit sesuai dengan literatur yaitu

534 dan 555 nm (Setiawan et al. 2015). Puncak serapan maksimum umbi bit hasil

pengukuran tersebut menunjukkan bahwa zat warna umbi bit mampu menjerap

7

cahaya tampak, sehingga meningkatkan konversi cahaya tampak yang dipancarkan

matahari untuk dijadikan energi listrik.

Gambar 3 Struktur betasianin

Aplikasi DSSC

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah jenis sel surya yang tersusun dari

tiga komponen utama yaitu elektroda kerja (working electrode), elektrode

pembanding (counter electrode) dan larutan elektrolit (Gratzel 2003). Elektrode

kerja terdiri dari kaca konduktif transparan, seperti Indium Tin Oxide (ITO), lapisan

semikonduktor nano kristalin TiO2 dan lapisan aktif dye. Elektrode pembanding

terdiri dari kaca konduktif transparan yang dilapisi misalnya lapisan karbon (Kyaw

et al. 2012) atau platinum (Adachi dan Hoshi 2013). Elektrolit yang digunakan

adalah elektrolit iodida triodida dengan pasangan redoks (I-/I3-). Tahapan akhir

adalah perakitan dan pengujian DSSC. Perakitan dilakukan dengan menggunakan

teknik lapisan sandwich, yaitu dengan cara meletakkan substrat ITO yang telah

dilapisi karbon pada bidang datar dengan permukaan yang terlapis karbon

menghadap ke atas, kemudian di atasnya diletakkan substrat ITO yang telah dilapisi

TiO2 dan dye sedemikian rupa, sehingga lapisan TiO2 dan dye menghadap ke

lapisan karbon dengan struktur sandwich, kemudian sisi kiri dan kanan sel dijepit

dengan penjepit kertas agar tidak bergerak. Selanjutnya larutan elektrolit diteteskan

di sela-sela sel, hingga larutan tersebut menyebar di sela-selanya dan sel siap untuk

diuji (Gambar 4).

Gambar 4 Struktur lapisan komponen DSSC (Dahlan dan Fahyuan 2014)

Prinsip kerja DSSC adalah Dye D menyerap sebuah foton mengakibatkan

elektron tereksitasi dari level HOMO ke LUMO pada molekul dye. Dye tereksitasi

(D*) menginjeksi sebuah elektron ke dalam pita konduksi (CB) semikonduktor

(TiO2) yang berada sedikit lebih tinggi daripada level konduksi TiO2. Elektron

tersebut melintas melewati partikel-partikel TiO2 menuju kontak belakang berupa

lapisan konduktif transparan ITO (indium tin oxide) selanjutnya ditransfer melewati

rangkaian luar menuju elektroda lawan. Elektron masuk kembali ke dalam sel dan

mereduksi sebuah donor teroksidasi yang ada di dalam elektrolit. Dye teroksidasi

(D+) akhirnya menerima sebuah elektron dari donor tereduksi (I3-) dan tergenerasi

kembali menjadi molekul awal (D) (Gambar 5). Rangkaian reaksi kimia di dalam

sel (1-5) (Maddu et al. 2007) sebagai berikut:

D + cahaya → D*

D* + TiO2 → e- (TiO2) + D+

D* → D

D+ + e- (TiO2) → D + TiO2

2D+ + 3I- → 2D + I3-

Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya TiO2 tersensitisasi dye berasal dari

perbedaan tingkat energi konduksi elektrode semikonduktor TiO2 dengan potensial

elektrokimia pasangan elektrolit redoks (I-/I3-), sedangkan arus yang dihasilkan dari

sel surya ini terkait langsung dengan jumlah foton yang terlibat dalam proses

konversi dan bergantung pada intensitas penyinaran serta kinerja dye yang

digunakan (Li et al. 2006).

Gambar 5 Prinsip kerja DSSC (Maddu et al. 2007)

Intensitas global (IG) cahaya matahari selama pengukuran adalah sebesar 88

W/m2 yang diukur menggunakan fotometer-radiometer PMA 2200. Pengukuran

pada intensitas global cahaya matahari di atas 100 W/m2 akan mendapatkan hasil

DSSC yang lebih baik. Intensitas global cahaya matahari yang rendah ini

dikarenakan faktor cuaca saat pengukuran. Berdasarkan dari data online BMKG

pada hari saat pengukuran DSSC, lingkungan memiliki suhu 27.2 °C dan

kelembaban 75%. Nilai arus dan tegangan DSSC TiO2, TiO2/PS, dan TiO2/PSS

(Lampiran 4) dialurkan menjadi kurva tegangan terhadap arus untuk melihat

tegangan maksimum (Vm), arus maksimum (Im), tegangan sirkuit terbuka (Voc), arus

9

sirkuit pendek (Isc), dan fill factor (FF). Nilai efisiensi yang diperoleh dari DSSC

menunjukkan adanya kinerja sel surya. Hasil pengukuran I-V ketiga rangkaian

DSSC dialurkan pada Gambar 6.

Gambar 6 Kurva I-V DSSC (a) TiO2, (b) TiO2/PS, (c) TiO2/PSS

Kurva tegangan dan arus DSSC TiO2, TiO2/PS, dan TiO2/PSS menunjukkan

nilai Vm berturut-turut sebesar 54 mV, 19.50 mV, 51 mV, sedangkan nilai Im yang

diperoleh berturut-turut sebesar 6.5 µA, 7 µA, 8.9 µA. Konduktivitas yang tinggi

terdapat pada membran TiO2/PSS, sebaliknya TiO2/PS memiliki konduktivitas

terendah. Kemampuan perangkat DSSC menjerap cahaya yang dipancarkan

matahari ditunjukkan pada hasil nilai FF yang linier dengan nilai konduktivitas

(Lampiran 5) (Sunardi dan Sari 2014). Hal ini disebabkan PSS bersifat polar,

sehingga dapat meningkatkan keaktifan terhadap cahaya. FF TiO2/PS lebih kecil

(a)

(b)

(c)

TiO2 karena pengaruh PS yang bersifat non polar, hal ini terlihat dari TiO2 pada

rangkaian TiO2/PS pun tidak melekat dengan sempurna pada kaca substrat sehingga

saat direndam dalam larutan dye, TiO2 sedikit meluruh dan mengurangi kualitas

kinerjanya.

Efisiensi (η) merupakan paramater terpenting lainnya pada DSSC, yaitu

kemampuan DSSC mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik. Hasil

pengukuran η DSSC TiO2, TiO2/PS, dan TiO2/PSS berturut-turut adalah 0.01%,

0.005%, dan 0.02%. Hasil uji efisiensi DSSC menunjukkan kenaikan efisiensi yang

signifikan antara DSSC TiO2 dan DSSC TiO2/PSS, yaitu sebesar 97% dari 0.01%

menjadi 0.02%. Dengan demikian penambahan PSS telah terbukti meningkatkan

kinerja DSSC dengan meningkatnya nilai efisiensi. Hasil efisiensi DSSC

menggunakan dye dari umbi bit merah 0.02% lebih besar dari efisiensi DSSC yang

menggunakan dye dari kulit manggis 0.008%. Selain itu, arus yang dihasilkan

DSSC TiO2/PSS lebih besar daripada TiO2 dan TiO2/PS, karena pada PSS terdapat

gugus sulfonat yang membentuk electron hole (Yang et al. 2005).

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Polistirena dapat terbentuk menjadi membran polistirena tersulfonasi melalui

proses sulfonasi. Dye-senstized solar cell berbahan dasar zat warna umbi bit merah

dengan tambahan polimer membran elektrolit polistirena tersulfonasi pada TiO2

meningkatkan kinerja sel surya. Hal tersebut ditunjukkan dengan meningkatnya

efisiensi yang dihasilkan terhadap TiO2 (rutile) dengan penambahan polimer

membran elektrolit polistirena tersulfonasi (0.02%) lebih besar dibandingkan hanya

membran elektrolit TiO2 (0.01%), yaitu sekitar 97%. Pada umbi bit merah

dihasilkan serapan maksimum sebesar 533 nm.

Saran

Penggunaan teknik spin coating agar diperoleh lapisan TiO2 yang lebih tipis

dan lebih merata, perendaman elektroda kerja pada dye lebih lama agar dapat

banyak menyerap foton, pengukuran DSSC dilakukan dengan intensitas global

cahaya matahari di atas 100 W/m2 agar lebih banyak cahaya matahari yang diserap.

DAFTAR PUSTAKA

Adachi T, Hoshi H. 2013. Preparation and characterization of Pt/carbon counter

electrodes for dye-sensitized solar cells. Materials Letters. (94):15-18.

doi:10.1016/j.matlet.2012.11.123.

Ananda L. 2008. Karakteristik Fisikokimia Serbuk Bit Merah (Beta Vulgaris L.)

yang Diproses dengan Variasi Drying Agents dan Maltodekstrin Sebagai

Coating Agent [Skripsi]. Semarang (ID): Fakultas Teknologi Pertanian,

Universitas Katolik Soegijapranata.

11

[BMKG] Badan Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisika. 2017. Data online pusat

database-BMKG [Internet]. [diunduh 2017 Jan 25]. Tersedia pada:

http://dataonline.bmkg.go.id

Cowd MA. 1991. Polymer Chemistry. London (UK): J Murray.

Dahlan D dan Fahyuan HD. 2014. Pengaruh beberapa jenis dye organik terhadap

efisiensi sel surya dye sensitized solar cell. Jurnal Sains Materi Indonesia. 15

(2): 74-79.

Gledhill SE, Scott B, Gregg BA. 2005. Organic and nano-structured composite

photovoltaics: an Overview. Journal Materials Research. 20(12): 3167-3179.

doi:org/10.1557/jmr.2005.0407.

Grätzel M. 2003. Dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and

Photobiology C: Photochemistry Reviews. 4(2): 145–153.

doi:10.1016/S1389-5567(03)00026-1.

Hersch P dan Kenneth Z. 1982. Basic Photovoltaic Principles and Methods.

Washington (US): SERI.

Huang WK, Lan CM, Liu YS, Lee PH, Chang SM, and Diau EWG. 2010. Synthesis

and characterization of novel heteroleptic ruthenium complexes for dye-

sensitized solar cells. Journal of the Chinese Chemical Society. 57(5): 1151-

1156. doi:10.1002/jccs.201000165.

Kyaw AKK, Tantang H, Wu T, Ke L, Wei J, Demir HV, Zhang Q and Sun XW.

2012. Dye-sensitized solar cell with a pair of carbon-based electrodes.

Journal Physics D: Applied Physics. 45(16): 1-8. doi:10.1088/0022-

3727/45/16/165103.

Lee BK and Kim JJ. 2009. Enhanced efficiency of dye-sensitized solar cells by

UV–O3 treatment of TiO2 layer. Current Applied Physics. 9(2): 404–408.

doi:10.1016/j.cap.2008.03.017.

Li B, Wang L, Kang B, Wang P, Qiu Y. 2006. Review of recent progress in solid-

state dye-sensitized solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 90(5):

549–573. doi:10.1016/j.solmat.2005.04.039.

Maddu A, Zuhri M, Irmansyah. 2007. Penggunaan ekstrak antosianin kol merah

sebagai fotosensitizer pada sel surya TiO2 nanokristal tersensitisasi dye.

Makara Teknologi.2(11).

Martins C, De Almeida, De Paoli. 2007. Solid-state 13C NMR analysis of

sulfonated polystyrene. Annals of Magnetic Resonance. 6:46-55.

Mujiarto I. 2005. Sifat dan karakteristik material plastik dan bahan aditif. Traksi.

3(2): 65-74.

Mulijani S, Dahlan K, Wulanawati A. 2014. Sulfonated polystyrene copolymer:

synthesis, characterization and its application of membrane for direct

methanol fuel cell (DMFC). International Journal of Material, Mechanics

and Manufacturing. 2(1): 36-40. doi:10.7763/IJMMM.2014.V2.95.

O’Regan B, Grätzel M. 1991. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-

sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353(24): 737-740.

doi:10.1038/353737a0.

Pavia DL, Gary ML, George SK, James RV. 2015. Introduction to Spectroscopy.

Ed ke-5. Washington (US): Cengage Learning.

Setiawan MAW, Nugroho EK, Lestario LN. 2015. Ekstraksi betasianin dari kulit

umbi bit (beta vulgaris) sebagai pewarna alami. Jurnal Ilmu Pertanian. 27

(1): 38 – 43.

Smitha B, Sridhar S, Khan AA. 2003. Synthesis and characterization of proton

conducting polymer membranes for fuel cells. Journal of Membrane Science.

225(2): 63–76. doi:10.1016/S0376-7388(03)00343-0.

Sunardi, Sari K. 2014. Pengaruh waktu milling titanium dioksida doping dye

tectona grandis terhadap sifat listrik solar cell. Prosiding Seminar Nasional

Sains dan Pendidikan Sains IX; 21 Juni 2014; Salatiga, Indonesia. Salatiga

(ID): Jurusan MIPA, Fakultas Sains dan Teknik, UNSOED. 5(1): 322-325.

Yang Y, Chu Y, Yang F, Zhang Y. 2005. Uniform hollow conductive polymer

microspheres synthesized with the sulfonated polystyrene template.

Materials Chemistry and Physics. 92(1): 164–171.

doi:10.1016/j.matchemphys.2005.01.007.

Zafira A. 2016. Polimer Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk

Aplikasi Sel Surya Tersensitisasi Pewarna (Garcinia Mangostana L) [skripsi].

Bogor (ID): Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut

Pertanian Bogor.

13

LAMPIRAN

Lampiran 1 Diagram alir penelitian

Penentuan λ

maksimum

Umbi Bit (UV-Vis)

Sulfonasi Polistirena (PS)

Polistirena

Tersulfonasi (PSS) Preparasi Pasta

TiO2

Pencirian

(FTIR)

Preparasi Elektrode Kerja

TiO2 dilapiskan pada sisi konduktif ITO

Perendaman elektroda

kerja pada larutan

pewarna

Elektrode lawan

(Pt)

Pengujian DSSC

Pembuatan

Larutan Pewarna

Kaca ITO terlapis TiO2

dilapisi PSS (TiO2/PSS)

Lampiran 2 Penentuan derajat sulfonasi

Sampel

Bobot Volume HCl (mL) Derajat

membran

(g) Blangko Sampel

sulfonasi

(%)

1 0.1016 9.83 9.50 30.60

2 0.1004 9.83 9.50 30.97

Rerata 30.79

Contoh perhitungan (sampel 1):

Diketahui:

Volume NaOH 1.0004 N = 10.00 mL

VHCl blanko = VHCl yang terpakai untuk blanko = 9.83 mL

VHCl sampel = VHCl

yang terpakai untuk sampel = 9.50 mL

NHCl = 1.1771 N

BESO3 = 80.06 g/ek

Standardisasi HCl

V Na₂CO₃ x N Na₂CO₃ = V HCl × N HCl

10 mL x 1.0595 N = 9 mL x N HCl

N HCl = 1.1771 N

DS = ( VHCL -VHCL sampel)x NHCl x BESO3

bobot sampel x 100%

DS = ( 9.83 -9.50 ) x 10-3 L x 1.1771 N x 80.06 g/ek

0.1016 g x 100%

DS = 30.60 %

Lampiran 3 Penentuan panjang gelombang maksimum umbi bit merah dengan

UV-Vis

λ (nm) Absorbans

638 0.007

533 0.218

462 0.114

408 0.095

Keterangan: ( ) λmaks

15

Lampiran 4 Hasil pengukuran tegangan dan arus DSSC

DSSC V (mV) I (µA) V x I

9.5 9.6 91.2

21 9 189

37.8 8 302.4

TiO2 54 6.5 351

59.7 5.7 340.29

63.2 4.3 271.76

67.9 2.2 149.38

69.7 0 0

7.1 10.1 71.71

10.6 9.3 98.58

14.2 8.5 120.7

TiO2/PS 19.5 7 136.5

21.6 5.3 114.48

22.6 3.2 72.32

23.2 1.1 25.52

23.3 0 0

10 12.9 129

23 12.8 294.4

29 12.7 368.3

35 12.2 427

TiO2/PSS 51 8.9 453.9

56 3.7 207.2

57 2.5 142.5

58 1.2 69.6

Keterangan: ( ): Vm × Im

Lampiran 5 Hasil kinerja DSSC

Contoh perhitungan:

Polistirena tersulfonasi

FF = 𝐼𝑚 × 𝑉𝑚

𝐼𝑠𝑐 × 𝑉𝑜𝑐

= 6.5 µA × 54 mV

9.6 µA × 69.7 mV × 100 %

FF = 52.45 %

A = p × l

= 0.05 m × 0.05 m

A = 2.5 × 10-5 m2

η = 𝐼𝑠𝑐 × 𝑉𝑜𝑐 × 𝐹𝐹

𝐼𝐺 × 𝐴

= 9.6 × 10−6 A × 0.0697 v × 52.45 %

88 W/m2 × 2.5 × 10−5 m2

η = 0.01 %

Parameter TiO2 TiO2/PS TiO2/PSS

Voc (mV) 69.70 23.30 58.00

Isc (µA) 9.60 10.10 12.90

Vm (mV) 54.00 19.50 51.00

Im (µA) 6.50 7.00 8.90

FF (%) 52.45 51.57 60.66

η (%) 0.01 0.005 0.02

17

RIWAYAT HIDUP

Penulis lahir di Cirebon, 16 Desember 1993 dari Ayah Udin Haerudin dan

Ibu Munawaroh. Penulis adalah anak kelima dari lima bersaudara. Tahun 2012

penulis lulus dari SMA Negeri 1 Sumber dan pada tahun yang sama penulis lulus

seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur undangan (SNMPTN

undangan 2012) dan diterima di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai anggota kepanitiaan,

seperti Organisasi Mahasiswa Daerah Ikatan Kekeluargaan Cirebon (OMDA IKC)

pada tahun 2012. IPB Goes To School (IGTS) pada tahun 2013. Seminar Nasional

Kimia Aplikatif (Sensitif) pada tahun 2013. Penulis juga pernah melakukan praktik

lapangan di PT PERTAMINA EP Asset 3 Jatibarang Field dengan judul laporan

Analisis kualitas air baku sungai dengan parameter fisika dan kimia. Penulis melakukan penelitian dan menulis skripsi dengan judul Membran

Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi Dye-sensitized Solar Cell dengan

Pewarna Acid Blue 80 sebagai tugas akhir di Departemen Kimia IPB.