FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan...

70
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id 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

Transcript of FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan...

Page 1: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 2: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 3: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 4: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 5: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 6: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 7: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 8: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 9: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 10: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 11: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 12: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 13: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 14: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 15: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 16: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 17: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 18: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 19: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 20: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 21: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 22: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 23: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 24: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 25: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 26: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 27: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 28: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 29: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 30: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 31: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 32: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 33: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 34: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 35: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 36: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 37: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 38: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 39: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 40: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 41: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 42: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 43: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 44: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 45: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 46: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 47: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 48: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 49: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 50: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 51: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 52: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 53: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 54: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 55: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 56: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 57: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 58: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 59: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 60: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 61: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 62: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 63: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 64: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 65: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 66: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 67: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 68: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 69: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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

Page 70: FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) …... · Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa damascena Mill ) Sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin ”

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