Usulan Tugas Akhir Skripsi Kimia

PREPARASI SENYAWA NANOKOMPOSIT N-TIO2/CdS DENGAN

METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION (CBD).

Oleh:

Ardita Nuzulkarnaen Azmi

10307141014

PROGRAM STUDI KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

2013

PROGRAM STUDI KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

PROPOSAL TUGAS AKHIR SKRIPSI KIMIA

1. Judul Skripsi : Preparasi Senyawa Nanokomposit N-

TiO2/CdS dengan Metode Chemical Bath

Deposition (CBD).

2. Pelaksanaan

a. Nama Lengkap : Ardita Nuzulkarnaen Azmi

b. Nomor Induk Mahasiswa : 10307141014

c. Alamat : Candi III 06/07 Sardonoharjo Ngaglik

Sleman Yogyakarta 55581

d. Tempat Penelitian : Labotatorium Penelitian Kimia UNY

3. Pembimbing Utama : Prof. K.H. Sugiyarto, Ph. D

Lembaga : Universitas Negeri Yogyakarta

4. Jangka Waktu Penelitian : 2 bulan

5. Perkiraan Biaya : -

Menyetujui,

Pembimbing Utama

Yogyakarta, 24 April 2013

Peneliti,

Prof. K.H. Sugiyarto, Ph. D

NIP. 19480915 196806 1 001

Ardita Nuzulkarnaen Azmi

NIM. 10307141014

Mengetahui,

Koordinator Tugas Akhir Skripsi

Program Studi Kimia,

Prof. Dr. Endang Wijayanti L. FX, M.S.

NIP. 19621203 198601 2 001

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Judul

Preparasi Senyawa Nanokomposit N-TiO2/CdS dengan Metode Chemical

Bath Deposition (CBD).

1.2 Latar Belakang

Selama ini kebutuhan energi secara global terus meningkat seiring

bertambahnya jumlah penduduk di dunia. Pertambahan penduduk ini tentu tidak

berbanding lurus dengan ketersediaan minyak bumi sebagai penyangga utama

kebutuhan energi hampir di semua negara. Sementara itu, tidak dapat dipungkiri

bahwa sumber energi ini semakin langka ketersediaannya dan mahal harganya.

Bagi Indonesia masalah energi menjadi sangat urgent dan perlu mendapatkan

penanganan yang khusus karena kurang lebih 80% kebutuhan energi di Indonesia

dipenuhi oleh minyak bumi, sementara harga minyak bumi juga selalu melonjak

setiap tahunnya. Padahal, sumber-sumber energi alternatif di Indonesia juga

sangat melimpah dan hanya perlu dikembangkan, terlebih Indonesia merupakan

negara tropis yang sinar mataharinya melimpah, sehingga bentuk energi alternatif

ini sangat cocok untuk digunakan.

Pemanfaatan energi matahari yang tersedia melimpah, kontinyu, dan

ramah lingkungan merupakan salah satu solusi sumber energi terbarukan karena

ketersediaan energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi

jumlahnya sangat besar, yaitu mencapai 3x1024

joule pertahun. Jumlah energi

sebesar itu kira-kira setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia

saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0,1% saja permukaan bumi dengan

divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi

kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini.

Energi matahari dapat dirubah secara langsung menjadi listrik dengan

teknologi fotovoltaik dalam bentuk sistem sel surya. Perkembangan sel surya

sendiri sampai saat ini sudah mencapai sel surya generasi ketiga. Dimana sel surya

generasi ketiga ini berbasis pada nanostruktur semikonduktor, gabungan material

organik-anorganik mulai dikembangkan untuk mencapai efisiensi tinggi dengan

biaya yang lebih ekonomis (Kamat, 2007). Penemuan dye-sensitized solar cell

(DSSC) berbasis titanium dioksida (TiO2) oleh Gratzel et al. pada tahun 1991

dengan efisiensi 11% memberikan terobosan yang sangat menjanjikan di bidang

sel surya (Gratzel, 2005).

Sel surya nanokristal TiO2 tersensitasi dye dikembangkan sebagai konsep

alternatif bagi piranti fotovoltaik konvensional berbasis silikon. Sistem sel surya

ini pertama kali dikembangkan oleh Grtzel sehingga disebut juga sel Grtzel.

Beberapa keuntungan sistem sel surya ini adalah proses pabrikasinya lebih

sederhana tanpa menggunakan peralatan rumit dan mahal sehingga biaya

pabrikasinya lebih murah. Efisiensi konversi sistem sel surya tersensitasi dye telah

mencapai 10-11%. Namun demikian, sel surya ini memiliki kelemahan yaitu

stabilitasnya rendah karena penggunaan elektrolit cair yang mudah mengalami

degradasi atau kebocoran (Huang et al. 2007, Jeong et al. 2004).

Karena masih terdapat beberapa kelemahan dari DSSC ini, maka

berkembanglah gagasan sensitisasi dengan penggunaan kuantum dot disamping

dye pada matriks semikonduktor oksida sebagai penyerap sinar menghasilkan

quantum dots sensitized solar cells (QDSSC) atau sel surya tersensitisasi kuantum

dot. Keunggulan dari QDSSC dibandingkan dengan DSSC adalah, QDSSC

memiliki absorpsi sinar dan kestabilan yang lebih tinggi, kisaran panjang

gelombang absorpsi yang lebih lebar, kemungkinan generasi multi eksiton yang

lebih besar dan penggunaan elektron dengan energi yang lebih tinggi

dibandingkan pita konduksi semikonduktor (Nozik, 2002). Istilah sel surya

generasi ketiga diberikan kepada divais tersebut karena mampu mengatasi

keterbatasan Shockley-Queisser divais celah pita tunggal atau jembatan tunggal

(33,7%) menjadi 68%. Secara prinsip, sinar matahari dapat dirubah menjadi listrik

dengan efisiensi mendekati batas Carnot (93%). QDSSC merupakan sistem sel

surya yang berpotensi untuk mencapai rasio effisiensi-biaya yang kompetitif.

DSSC sebagai sel surya generasi kedua memiliki kemungkinan menjadi generasi

ketiga apabila efisiensinya dapat ditingkatkan.

Pada penelitian ini dilakukan penyisipan (doping) anion nitrogen sebagai

pengotor pada matriks TiO2 untuk memperkecil enegi celah (band gap). Sehingga

pada akhir penelitian akan dilakukan pembentukan sensitizer kuantum dot yakni

N-TiO2/semikonduktor kuantum dot yaitu CdS untuk menggantikan N-TiO2

tersensitisasi zat warna. Metode sensitisasi N-TiO2 dengan kuantum dot CdS

menghasilkan nanokomposit N-TiO2/CdS dilakukan dengan metode deposisi bak

kimia (chemical deposition bath).

1.3 Identifikasi Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah diatas, permasalahan yang dapat

diidentifikasi pada sintesis nanokomposit N-TiO2 antara lain :

a. Metode yang dipilih untuk sintesis nanokomposit N-TiO2.

b. Jenis prekusor yang digunakan dalam sintesis nanokomposit N-TiO2.

c. Sumber N dan Ti yang digunakan

d. Alat yang digunakan untuk karakterisasi hasil sintesis nanokomposit

N-TiO2

1.4 Batasan Masalah

Berdasarkan permasalahan yang telah teridentifikasi dapat dibatasi

cakupannya sebagai berikut :

a. Metode yang dipilih untuk sintesis nanokomposit N-TiO2 adalah

metode Chemical Bath Deposition (CBD).

b. Jenis prekusor yang digunakan dalam sintesis nanokomposit N-TiO2

adalah campuran dari 4,7 mL DDA yang dilarutkan dalam 80 mL

etanol absolut dan diaduk selama 2 jam lalu ditambahkan 3 mL TTIP

ditambahkan bertetes-tetes sambil terus dilakukan pengadukan selama

4 jam.

c. Sumber N yang digunakan adalah DDA dan sumbet Ti yang digunakan

adalah TTIP.

d. Alat yang digunakan untuk karakterisasi hasil sintesis nanokomposit

N-TiO2 adalah Difraksi sinar-X (XRD), Scanning Electron

Microscopy-Energy Dispersive X-ray (SEM-EDX), spektrofotometer

FTIR, dan spektrofotometer UV-VIS.

1.5 Rumusan Masalah

a. Bagaimana preparasi nanokomposit N-TiO2/CdS melalui metode

Chemical Bath Deposition (CBD) ?

b. Bagaimanakah komposisi dan struktur nanokomposit N-TiO2 hasil sintesis ?

1.6 Tujuan

a. Melakukan sintesis material N-TiO2/CdS guna meningkatkan absorpsi

sinar dan juga fotoarus kemampuan konversi material.

b. Mengetahui komposisi dan struktur nanokomposit N-TiO2 hasil sintesis

dengan metode Chemical Bath Deposition (CBD)

1.7 Manfaat

a. Menghasilkan quantum dots sensitized solar cells N-TiO2/CdS yang

lebih efektif dan efisien dibandingkan dye-sensitized solar cell.

b. Memberikan informasi komposisi dan struktur nanokomposit N-TiO2 hasil

sintesis dengan metode Chemical Bath Deposition (CBD).

c. Menambah pustaka dalam upaya pengembangan Energi Baru

Terbarukan (EBT).

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

1.1 N-TiO2

Titanium dioksida (TiO2) merupakan bahan semikonduktor yang bersifat

inert, stabil terhadap fotokorosi dan korosi oleh bahan kimia, serta juga

merupakan senyawa semikonduktor bersifat fotokatalis sehingga banyak

digunakan untuk untuk manufaktur elemen optik. Penelitian tentang fotokatalis

TiO2 telah banyak dilakukan khususnya mengenai kemampuan dari senyawa ini

untuk mendekomposisi polutan organik dengan bantuan cahaya matahari.

Fotokatalis TiO2 dengan iluminasi cahaya ultra ungu (UV) mampu mendegradasi

senyawa organik seperti metilen biru. Energi celah pita (band gap) TiO2 relatif

besar, berkisar 3,0 eV fasa kristal rutile dan 3,2 eV anatase, menyebabkan

keterbatasan dalam aplikasinya, karena hanya dapat aktif pada daerah cahaya ultra

ungu (

mampu mengendalikan tingkat doping nitrogen dan ukuran partikel dengan variasi

sederhana dalam kondisi eksperimental, seperti tingkat hidrolisis, pH larutan dan

sistem pelarut.

1.2 Quantum dots sensitized solar cells (QDSSC)

Quantum Dots Sensitized Solar Cells (QDSSC) atau sel surya tersensitiasi

kuantum dot menggunakan istilah dari sel fotoelektrokimia Gratzel (DSSC)

dengan prinsip operasional seperti pada Gambar 1. Sehubungan dengan ukuran

yang hampir sama antara kuantum dot dan nanokristal semikonduktor logam

oksida, semua QDSSC merupakan nanokomposit yang bertujuan untuk optimasi

respon material yang dihasilkan terhadap spektrum matahari. Sensitiser kuantum

dot untuk sel surya menjanjikan beberapa keuntungan dibandingkan sensitiser dye

yaitu: 1) Energi celah pita yang dapat diatur dengan mengontrol bentuk dan

ukuran kuantum dot. Selain itu kuantum dot juga memiliki kisaran celah pita yang

lebih lebar dibandingkan dye; 2) Koefisien absorpsi yang besar dari material

semikonduktor skala nano; 3) Produksi multi pasangan elektron-hole karea

elektron kuantum dot memiliki energi lebih tinggi dari energi pita konduksi TiO2

dan; 4) Ketahanan kuantum dot terhadap photobleaching jauh lebih tinggi

dibandingkan kompleks organologam atau dye organik. Selain itu preparasi

kuantum dot jauh lebih mudah dan dapat dilakukan pada temperatur rendah.

(Hodes, 2008).

Terdapat dua metode utama untuk melakukan sensitisasi film mesopori

TiO2 yaitu penumbuhan langsung kuantum dot pada permukaan film TiO2 dan

sintesis quantum dot secara terpisah sebelum diadsorpsikan ke permukaan

semikonduktor oksida. Kedua metode tersebut seringkali dilakukan bersamaan

untuk mendapatkan efek ko-sensitisasi. Pada QDSSC, diameter kuatum dot yang

teradsorpsi pada metal oksida umumnya berkisar antara 3-8 nm, jauh lebih besar

dari sensitiser dye. Deposisi kuantum dot pada TiO2 dipengaruhi beberapa faktor

seperti morfologi, luas permukaan, struktur pori dalam, ukuran partikel dan energi

celah pita TiO2. Peningkatan efisiensi penataan kuantum dot pada fotoanoda TiO2

dan pengaruh sifat struktur beberapa fotoanoda TiO2 pada performa CdS/-QDSSC

telah diamati secara sistematis . Hasilnya menunjukkan bahwa tidak seperti DSSC

konvensional, kontribusi penataan deposisi CdS pada TiO2 dapat meningkatkan

panjang serapan sinar dan menurunkan rekombinasi elektron. Penggunaan TiO2

berukuran 300 nm pada fotoanoda dapat mencapai distribusi ukuran pori yang

lebih lebar dari beberapa nm menjadi lebih dari 50 nm untuk adsorpsi CdS yang

efisien di permukaan TiO2 dan memfasilitasi penetrasi elektrolit pada film TiO2.

Secara umum, nanokomposit QDSSC bekerja dengan dua efek yang

bermanfaat yaitu kisaran spektra absorpsi yang lebar dan interaksi antara dua

bagian semikonduktor dan dapat menurunkan rekombinasi. QDSSC berbasis

kuantum dot CdS pada TiO2 menunjukkan perkembangan yang cepat selama dua

dekade terakhir menghasilkan efisiensi berkisar antara 7-11% berpotensi untuk

dikembangkan lebih lanjut. (Yin dan Ye, 2011; Zhan et al., 2011).

1.3 CdS

Kadmium sulfida (CdS) adalah semikonduktor II-VI penting (Eg = 2,42

eV (515 nm) pada suhu kamar) dengan banyak sifat fisika dan kimia yang sangat

baik, sehingga mampu digunakan untuk aplikasi dalam beberapa bidang teknis

termasuk katalisis fotokimia, sensor gas, detektor untuk laser dan inframerah, sel

surya, bahan optik nonlinier, berbagai perangkat luminescence, perangkat

optoelektronik dan lain-lain. CdS juga merupakan salah satu senyawa yang paling

menjanjikan di antara senyawa II-VI untuk mendeteksi radiasi yang terlihat. CdS

dapat diperoleh dalam bentuk film tipis, dengan berbagai metode atau dalam

bentuk bubuk, dengan metode hidrotermal /solvothermal, dekomposisi termal, dll.

(Kamat, 2007).

Gambar 1

BAB III

METODE PENELITIAN

2.1 Alat dan Bahan

1. Alat utama yang digunakan: Alat-alat gelas, alat refluks, oven, muffle

furnace, alat kalsinasi, seperangkat alat Chemical Bath Deposition (CBD)

dan alat-alat instrumentasi analisis karakter senyawa seperti XRD, UV-Vis,

SEM dan FTIR.

2. Bahan utama yang digunakan: Titanium Tetraisopropoksida (TTIP),

dodesilamin (DDA), etanol pa, NaOH pa, Na2S, triton-X 100, tiourea, asam

asetat glasial, elektrolit redoks, kaca ITO, asetil asetonat, HCl, CdCl2, dan

natrium sulfit/tiosianat.

2.2 Subyek dan Objek

1. Subyek dalam penelitian ini adalah senyawa nanokomposit N-TiO2.

2. Objek dalam penelitian ini adalah metode pembentukan nanokomposti

dengan Chemical Bath Deposition (CBD).

3.2 Cara Penelitian

1. Preparasi lapis tipis N-TiO2.

2. Sintesis senyawa CdS

3. Sensitisasi kuantum dot CdS untuk menghasilkan nanokomposit N-

TiO2/CdS.

Pada metode ini, semua reagen dicampur menjadi satu pada awal sintesis.

Preparasi N-TiO2/CdS dilakukan dengan menambahkan sejumlah besar ion

Cd2+

dikomplekskan dengan agen pengompleks (TEA, trietanolamin) dan

dilepaskan pelan-pelan sebagai ion Cd bebas untuk bereaksi dengan ion

selenida atau sulfur yang ada dalam larutan. Larutan awal terdiri dari larutan

1 M CdCl2, 1 M NaOH, 1 M tiourea, 1 M TEA dan air. Selanjutnya, substrat

N-TiO2 direndam dalam larutan tersebut bervariasi antara 10 menit hingga

beberapa jam. Setelah itu, substrat dicuci dengan HCl 1 M atau dengan air

murni dan dipanaskan sampai 150 oC selama 30 menit. Substrat N-TiO2

yang telah dimodifikasi dengan kuantum dot tersebut selanjutnya

dikarakterisasi dengan XRD, UV-Vis, IR dan SEM.

DAFTAR PUSTAKA

Kamat, P. V., 2007, Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy Conversion, J. Phys. Chem. C, 111, 7, 2834-2860

Gratzel, M., 2005, Conversion of Sunlight to Electric Power by Nanocrystalline

Dye-Sensitized Solar Cells. J. Photochem. Photobio.,164, 1-3 Zhang, Q. X., Guo, X. Z., Huang, X. M., Huang, S. Q., Li, D. M., Luo, Y. H., et

al., 2011, Highly Efficient Cds/Cdse-Sensitized Solar Cells Controlled by the Structural Properties of Compact Porous TiO2 Photoelectrodes. Physical Chemistry Chemical Physics, 13, 10, 4659-4667

Nozik, A. J., 2002, Quantum Dot Solar Cells. Physica E-Low-Dimensional

Systems & Nanostructures, 14, 1-2, 115-120 Yin, L., & Ye, C., 2011, Review of Quantum Dot Deposition for Extremely Thin

Absorber Solar Cells, Science of advanced materials, 3, 7, 41-58