LAPORAN AKHIR PENELITIAN BIDANG ENERGI

PENGHARGAAN PT. REKAYASA INDUSTRI

LAPORAN PENELITIAN BIDANG ENERGI

Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell)

Oleh :

Wilman Septina 13303022 / 2003

Dimas Fajarisandi 13303059 / 2003

Mega Aditia 13303061 / 2003

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG BANDUNG

2007

LEMBAR PENGESAHAN

1. Judul Kegiatan : Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-

Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell)

Bidang Kegiatan : Penelitian Energi

2. Ketua Pelaksana Kegiatan/Penulis Utama

a. Nama Lengkap : Wilman Septina

b. NIM : 13303022

c. Jurusan : Teknik Fisika

d. Universitas/Institut : Institut Teknologi Bandung

e. Alamat Rumah & No tel : Jl. Mig 2 No 39, Cimahi Selatan, (022) 6010645 /

08121476364

f. Alamat email : wilman_s85@yahoo.com

3. Anggota Pelaksana : 2 orang

4. Dosen Pendamping :

a. Nama lengkap dan Gelar : Dr. Brian Yuliarto

b. NIP : 132320061

5. Biaya Kegiatan Total

a. Rekayasa Industri : Rp. 4.850.000,-

6. Jangka Waktu Pelaksanaan : 6 bulan

Bandung, 22 November 2007

Menyetujui Ketua Pelaksana Kegiatan

Dosen Pendamping

(Dr. Brian Yuliarto) (Wilman Septina)

NIP. 132320061 NIM. 13303022

i

ABSTRAK

Konversi energi surya menjadi energi listrik merupakan solusi yang ideal untuk menghasilkan energi yang bersih dan murah. Namun sekarang ini harga sel surya silikon, sel surya yang mendominasi pasar, masih relatif mahal dan membutuhkan teknologi yang tinggi dan proses produksi yang sulit. Dye-sensitized solar cell (DSSC), sebagai teknologi sel surya yang berkembang karena kebutuhan akan sel surya berefisiensi tinggi dan proses produksinya yang simpel, merupakan alternatif sel surya murah dimasa yang akan datang. Dye-sensitized solar cell merupakan sel surya yang berbasis fotoelektrokimia dimana proses absorbsi cahaya dilakkan oleh molekul dye dan proses separasi muatan oleh bahan inorganik semikonduktor TiO2.

Pada peneltian ini telah berhasil dilakukan pembuatan prototipe dye-sensitized solar cell dengan menggunakan dye bahan organik jenis anthocyanin dye dari ekstraksi buah delima, dan semikonduktor nanopori TiO2 yang disintesis dengan menggunakan metoda sol-gel dengan bantuan block copolymer sebagai template pori. Dari hasil pengujian struktur nanopori TiO2 didapat bahwa TiO2 yang disintesis cocok untuk diaplikasikan dalam DSSC karena mempunyai luas permukaan yang tinggi dan kristalinitas yang baik, dan dari pengujian absorbsi cahaya dye ekstraksi buah delima diketahui bahwa dye dapat menyerap spektrum cahaya pada panjang gelombang 562 nm. Selain itu ketika sel surya disinari dengan cahaya matahari, sel surya dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik dengan tegangan 162,4 mV dan arus listrik sebesar 0,07 mA untuk area aktif seluas 0.6 cm2. Kata kunci

Dye-sensitized solar cell (DSSC), Titanium dioxide (TiO2), nanopori, metoda sol-gel,

anthocyanin dye.

ii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena berkat rahmat dan

hidayah-Nya, kami dapat meyelesaikan penelitian dan laporan akhir penelitian yang

berjudul “Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye-

sensitized Solar Cell)”.

Penelitian ini dilaksanakan dalam rangka “Lomba Karya Ilmiah Mahasiswa ITB Bidang

Energi” yang seluruhnya dibiayai oleh PT. Rekayasa Industri. Penelitian ini lakukan di

Laboratorium Proses Material Teknik Fisika ITB. Penulis melakukan penelitian dibidang

energi surya karena penulis melihat potensi dari pengembangan sel surya di Indonesia

sangat besar namun dalam kondisi sekarang masih belum optimal, dan nanoteknologi

sebagai bidang yang penulis geluti saat ini mempunyai prospek untuk berkontribusi

dalam perkembangan sel surya yaitu dengan munculnya sel surya generasi terbaru yang

disebut dye-sensitized solar cell (DSSC). Penulis melihat DDSC mempunyai prospek

yang baik untuk dikembnagkan di Indonesia baik dalam hal riset maupun produksi karena

berbasis kepada proses produksi yang simpel dan murah..

Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah

membantu penelitian tugas akhir ini sehingga laporan tugas akhir ini dapat terselesaikan

yaitu :

1. PT. Rekayasa Industri selaku pemberi biaya penelitian ini.

2. Bapak Dr. Brian Yuliarto selaku pendamping penelitian ini.

3. Bapak Yakob dari PT. Wika Trading yang telah memberikan sampel block

copolymer kepada penulis.

4. Teman-teman penulis semua yang ada di Laboratorium Komputasi dan Proses

Material.

5. Dan terakhir rekan-rekan penulis yang tidak bisa penulis sebutkan satu

persatu atas inspirasi dan dukungan moralnya baik langsung maupun tidak

langsung.

iii

Penulis menyadari sepenuhnya, bahwa sebagai manusia biasa kami tidak lepas dari segala

kekurangan dan keterbatasan baik itu dalam pelaksanaan maupun penyusunan laporan

tugas akhir ini. Untuk itu segala saran dan kritik dari pembaca sangat diharapkan. Akhir

kata, penulis berharap penelitian ini dapat memberi manfaat untuk khalayak umum.

Bandung, 22 November 2007

Penulis

iv

DAFTAR ISI Hal.

LEMBAR PENGESAHAN i

ABSTRAK ii

KATA PENGANTAR iii

DAFTAR ISI v

BAB 1 PENDAHULUAN 1

1.1. Latar Belakang Masalah 1

1.2. Perumusan Masalah 2

1.3. Tujuan Penelitian 3

1.4. Luaran yang Diharapkan 3

1.5. Kegunaan Penelitian 4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1. Energi Surya 5

2.2. Sel Surya 6

2.2.1. Umum 6

2.2.2. Prinsip Kerja Sel Surya Kovensional Silikon 6

2.2.3. Performansi Sel Surya 8

2.2.4. Pasar Fotovolataik Dunia 9

2.2.5. Potensi Pengembangan Sel/Panel Surya di Indonesia 11

2.3. Dye-sensitized Solar Cell 12

2.3.1. Umum 12

2.3.2. Cara Kerja 13

2.3.3. Material DSSC 14

2.3.4. Fabikasi DSSC 17

2.3.5. Status DSSC 19

BAB 3 PELAKSANAAN PENELITIAN 24

3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan 24

3.2. Alat dan Bahan 24

3.3. Preparasi Komponen-komponen DSSC 25

v

3.3.1. Pembuatan Bubuk Nanopori TiO2 25

3.3.2. Pembuatan Pasta TiO2 26

3.3.3. Preparasi Larutan Dye 27

3.3.4. Preparasi Elektrolit 27

3.3.5. Preparasi Counter-Elektroda Karbon 27

3.4. Assembly DSSC 27

3.5. Pengujian 29

3.5.1. Pengujian Nanopori TiO2 29

3.5.2. Pengujian Absorbsi Dye 30

3.5.3. Pengujian Sel Surya 30

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 31

4.1. Analisis Nanopori TiO2 31

4.1.1. Hasil TG-DTA 31

4.1.2. Hasil XRD 31

4.1.3. Hasil SEM 32

4.1.4. Hasil N2 adsorption 34

4.2. Analisis Absorbsi Dye Buah Delima 34

4.3. Analisis Sel surya 36

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 39

DAFTAR PUSTAKA 40

LAMPIRAN 41

vi

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Energi adalah salah satu tantangan yang kita hadapi pada abad 21 ini. Berdasarkan

survey yang dilakukan oleh Professor Ricards Smalley dari Rice University

mengenai masalah terbesar yang akan dihadapi manusia untuk 50 tahun

mendatang, ternyata energi menduduki peringkat pertama. Cadangan sumber

energi fosil di seluruh dunia terhitung sejak 2002 yaitu 40 tahun untuk minyak, 60

tahun untuk gas alam, dan 200 tahun untuk batu bara. Dengan keadaan semakin

menipisnya sumber energi fosil tersebut, di dunia sekarang ini terjadi pergeseran

dari penggunaan sumber energi tak terbahurui menuju sumber energi yang

terbahurui. Dari sekian banyak sumber energi terbahurui seperti angin, biomass

dan hydro power, penggunaan energi melalui solar cell / sel surya merupakan

alternatif yang paling potensial. Hal ini dikarenakan jumlah energi matahari yang

sampai ke bumi sangat besar, sekitar 700 Megawatt setiap menitnya. Bila

dikalkulasikan, jumlah ini 10.000 kali lebih besar dari total konsumsi energi

dunia.

Sel surya bekerja menggunakan energi matahari dengan mengkonversi secara

langsung radiasi matahari menjadi listrik. Sel surya yang banyak digunakan

sekarang ini adalah Sel surya berbasis teknologi silikon yang merupakan hasil dari

perkembangan pesat teknologi semikonduktor elektronik. Walaupun sel surya

sekarang didominasi oleh bahan silikon, namun mahalnya biaya produksi silikon

membuat biaya konsumsinya lebih mahal daripada sumber energi fosil. Selain itu

kekurangan dari solar cell silikon adalah penggunaan bahan kimia berbahaya pada

proses fabrikasinya.

Tetapi seiring dengan perkembangan nanoteknologi, dominasi tersebut bertahap

mulai tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru, yaitu dye-sensitized

solar cell (DSSC). DSSC merupakan salah satu kandidat potensial sel surya

generasi mendatang, hal ini dikarenakan tidak memerlukan material dengan

1

kemurnian tinggi sehingga biaya proses produksinya yang relatif rendah. Berbeda

dengan sel surya konvensional dimana semua proses melibatkan material silicon

itu sendiri, pada DSSC absorbsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada

proses yang terpisah. Absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi

muatan oleh inorganik semikonduktor nanokristal yang mempunyai bandgap

lebar.

Salah satu semikonduktor ber-bandgap lebar yang sering digunakan yaitu

Titanium Dioxide (TiO2). TiO2 umum digunakan karena inert, tidak berbahaya,

semikonduktor yang murah, selain memiliki karakteristik optik yang baik. Namun

untuk aplikasinya dalam DSSC, TiO2 harus memiliki permukaan yang luas

sehingga dye yang teradsorb lebih banyak yang hasilnya akan meningkatkan arus

photo. Selain itu penggunaan bahan dye yang mampu menyerap spektrum cahaya

yang lebar dan cocok dengan pita energi TiO2 juga merupakan karakteristik yang

penting.

1.2. Perumusan Masalah

Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan prototipe dye-sensitized solar cell

dengan menggunakan material-material yang mudah didapat di Indonesia. DSSC

sangat potensial untuk dikembangkan di Indonesia karena dalam proses

produksinya tidak memerlukan fasilitas clean room yang selalu menjadi hambatan

terbesar untuk mengembangkan sel surya silikon di Indonesia, selain itu

produksinya relatif mudah.

Sebagai semikonduktor akan digunakan nanopori TiO2 (Titanium Dioxide) yang

disintesis dengan menggunakan metoda sol-gel. Dengan struktur pori yang nano

maka permukaan dari TiO2 menjadi luas sehingga memperbanyak dye yang

teradsorb dan akan meningkatkan efisiensi. Sebagai sumber titanium (Ti),

digunakan TiCl4 (Titanium Tetrachloride) dan untuk membentuk struktur

nanopori, digunakan bantuan dari surfaktan block copolymer sebagai struktur

template. Untuk dye digunakan bahan organik yaitu jenis dyes yang mengandung

2

pigmen anthocyanin yang bisa didapat dari alam melalui buah delima. Walaupun

DSSC komersial dengan menggunakan dye sintetis yaitu jenis ruthenium complex

sebagai dye telah mencapai efisiensi 10%, namun ketersedian dan harganya yang

mahal tidak memungkinkan untuk pengembangan penelitian ini sehingga pada

penelitian ini akan digunakan anthocyanin dye yang lebih mudah didapat.

Berdasarkan survei yang dilakukan, publikasi mengenai jenis sel surya ini sangat

minim di Indonesia dan tidak ada penelitian secara intensif untuk

pengembangannya lebih lanjut. Penelitian ini diharapkan dapat lebih

memasyarakatkan dye-sensitized solar cell sebagai sel surya murah di Indonesia

dan juga sebagi studi awal untuk penelitian lebih lanjut dengan harapan agar

dimasa mendatang bisa dikomersialisasikan di Indonesia.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini yaitu,

1. Menghasilkan prototipe dye-sensitized solar cell (DSSC) dengan menggunakan

material-material yang bisa diperoleh di Indonesia.

2. Menghasilkan prototipe DSSC dapat mengkonversi energi surya menjadi

listrik.

3. Menguasai teknologi pembuatan DSSC skala lab dengan pendekatan teknologi

nano khususnya untuk optimasi struktur nanopri TiO2.

1.4. Luaran yang Diharapkan

Luaran yang diharapkan dari penelitian ini yaitu,

1. Lebih memasyarakatkan DSSC sebagai alternatif sel surya yang murah

2. Dilakukan penelitian DSSC lebih lanjut secara intensif baik oleh peneliti ITB

maupun peneliti di Indonesia pada umumnya dengan kolaborasi berbagai

disiplin ilmu karena kajian mengenai DSSC merupakan kajian yang

multidisiplin.

3

1.5. Kegunaan Penelitian

Kegunaan dari penelitian ini yaitu,

1. Teknologi pembuatan dye-sensitized solar cell (DSSC) yang dikembangkan di

penelitian ini bisa menjadi studi awal untuk penelitian lebih lanjut sehingga

menghasilkan sel surya yang mempunyai performansi lebih baik.

2. Sel surya yang dihasilkan dari penelitian ini bisa menjadi alat peraga bagi

pelajar/mahasiswa untuk lebih memahami proses kerja sel surya, bahkan

pelajar/mahasiswa bisa melakukan eksperimen pembuatan sel surya ini di

laboratorium dengan mengacu pada penelitian ini.

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Energi Surya

Energi surya adalah radiasi yang diproduksi oleh reaksi fusi nuklir pada inti matahari.

Matahari mensuplai hampir semua panas dan cahaya yang diterima bumi untu digunakan

makhluk hidup. Energi surya sampai kebumi dalam bentuk paket-paket energi yang

disebut foton.

Dalam kaitannya dengan sel surya, perangkat yang mengkonversi radiasi sinar matahari

menjadi listrik, terdapat dua paramater dalam energi surya yang paling penting : pertama

intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per luas

area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari. Intensitas radiasi matahari diluar

atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m2. Setelah disaring oleh

atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi

sekitar 1000W/m2. Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan permukaan

tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah. Sebagai contoh apabila seseorang

mengikuti pergerakan matahari dalam delapan jam, maka rata-rata intensitas radiasi surya

yang diterima per hari kira-kira 1000 (8/24) = 333 W/m2. Pada permukaan yang diam,

nilai tipikal pada keadaan cerah yaitu antara 180-270 W/m2. Data energi surya untuk

kepentingan ekonomis umumnya direpresentasikan dalam unit insolation. Hubungan

antara rata-rata intensitas radiasi dan insolation dirumuskan dengan persamaan[1],

WkW

harijamradiasi

mharikWhinsolation

3

2

10.24..

−

= (2.1)

Sebagai contoh untuk intensitas radiasi 250 W/m2, nilai insolation yaitu 6 kWh/hari/m2.

Radiasi surya dipancarkan dari fotoshpere matahari pada temperatur 6000K, yang

memberikan distribusi spektrumnya mirip dengan distribusi spektrum black body.

Dengan melalui atmosfer bumi, radiasi surya diatenuasikan oleh berbagai partikel

diantaranya molekul udara, aerosol, partikel debu, dll sehingga menghasilkan spektrum

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1.

5

Gambar 2.1. Standar Spektrum Radiasi Surya.

2.2. Sel Surya

2.2.1. Umum

Sel surya atau fotovoltaik adalah perangkat yang mengkonversi radiasi sinar matahari

menjadi energi listrik. Efek fotovoltaik ini ditemukan oleh Becquerel pada tahun 1839,

dimana Becquerel mendeteksi adanya tegangan foto ketika sinar matahari mengenai

elektroda pada larutan elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti di Bell Telephone menemukan

untuk pertama kali sel surya silikon berbasis p-n junction dengan efisiensi 6%. Sekarang

ini, sel surya silikon mendominasi pasar sel surya dengan pangsa pasar sekitar 82% dan

efisiensi lab dan komersil berturut-turut yaitu 24,7% dan 15%[2][3].

2.2.2. Prinsip Kerja Sel Surya Konvensional Silikon

Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktir p-n junction. Sel

terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang membentuk p-n junction,

lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-

n (elektron) dan tipe-p (hole).

6

Gambar 2.2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction.[4]

Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan V

sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain

semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron

valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut

mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga

area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif.

Medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan

hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan

kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.

Gambar 2.3. Cara kerja Sel Surya Silikon

7

Ketka junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebar

pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita

konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat

bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila

ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali

ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Skema

cara kerja sel surya silikon ditunjukkan pada Gambar 2.3.

2.2.3. Performansi Sel Surya

Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan

perangkat sel surya tersebut untuk memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus

melalui beban pada waktu yang sama. Kemampuan ini direpresentasikan dalam kurva

arus-tegangan (I-V) (Gambar 2.4.).

Gambar 2.4. Karakteristik Kurva I-V pada Sel Surya

Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (ISC)

dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir

8

sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan open-circuit. (VOC). Titik pada

kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum

(MPP). Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan

persamaan,

SCOC

MPPMPP

IVIVFF..

= (2.2.)

Dengan menggunakan fill factor maka maksimum daya dari sel surya didapat dari

persamaan,

FFIVP SCOCMAX ..= (2.3.)

Sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel

( ) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang ( ) : MAXP CahayaP

Cahaya

MAX

PP

=η (2.4.)

Nilai efisiensi ini yang menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi

suatu sel surya.

2.2.4. Pasar Fotovoltaik Dunia

Pada tahun 2006, industri fotovoltaik dunia telah mencapai 1.744 MW, mengalami

kenaikan 19% dibandingkan tahun sebelumnya[5]. Sedangkan dibandingkan tahun 2003,

telah mengalami kenaikan lebih dari 2 kali lipat seperti terlihat pada Gambar 2.5.

Sedangkan produksi sel surya dunia telah mencapai angka 2.204 MW tahun 2006,

meningkat dari 1,656 MW tahun sebelumnya. Perusahaan Jepang masih mendominasi

produksi sel surya global dengan menguasai 40% sel surya yan beredar didunia saat ini,

turun dari tahun sebelumnya yaitu 46%. Hal ini menunjukkan bahwa pasar sel surya

dunia semakin kompetitif dan terus mengalami kenaikan pasar yang signifikan.

Membuktikan bahwa kebutuhan sel surya dunia akan terus meningkat dan implikasinya

akan menurunkan harga dari modul surya itu sendiri.

9

a)

b)

Gambar 2.5. (a) Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003 beserta tipe sel

suryanya. (b) Status Instalasi PV sampai tahun 2006

Sekarang ini pasar sel surya masih didominasi oleh sel surya silikon, baik mono maupun

multi-crystal silikon. Dari total 2.204 MW produksi fotovoltaik/sel surya pada tahun

2006, 0,22 GW merupakan teknologi sel surya berbasisi non-silikon[6]. Pasar sel surya

non-silikon diperkirakan akan naik menjadi 13% dari total produksi sel surya 10 tahun

yang akan datang. Kenaikan pasar sel surya non-silikon ini diakibatkan oleh kebutuhan

10

akan sel surya berbasis tanpa silikon, efisiensi lebih tinggi, harga yang lebih murah, dan

juga proses produksniya yang lebih simpel. Sel surya non-silikon ini diantaranya sel

surya berbasis lapisan tipis atau thin film solar cell, sel surya organik & polimer, dan dye-

sensitized solar cell.

2.2.5. Potensi Pengembangan Sel/Panel Surya di Indonesia

Sebagai negara tropis, limpahan cahaya matahari di Indonesia sangat melimpah.

Potensinya energi surya di Indoenesia yaitu sekitar 4,8 kWh/m2/hari. Namun berdasarkan

data dari Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Indonesia, tahun 2005 kapasitas

panel surya yang terpasang di Indonesia baru 8 MW. Nilai ini masih sangat kecil bila

dibandingkan potensi tersebut. Padahal pemanfaatan energi surya misalnya dalam benuk

Solar Home System untuk daerah-daerah terpencil merupakan solusi andal untuk

elektrifikasi desa-desa tersebut. Karena bagaimanapun tingkat elektrifikasi suatu bangsa

menentukan derajat pengetahuan suatu bangsa, karena dengan listrik akan membuka jalan

akses kepada masyrakat global dimana lintas informasi dan ilmu pengetahuan berjalan

dengan sangat cepat.

Sebagai gambaran di negara lain, berdasarkan studi yang dilakukan Ketut Astawa, Eropa

telah mencanangkan pengunaan energi terbarukan sekita 25% dari seluruh kebutuhan

energinya pada tahun 2025 Sedangkan Jerman dan Amerika menjalankan program 1juta

roof (instalasi sel surya di atap rumah). Jepang sebagai negara terdepan di dunia dalam

hal memproduksi dan memakai sel surya bahkan telah mengambil pajak keuntungan

mulai 2003 lalu dari setiap penggunaan sel surya oleh masyarakatnya, setelah bertahun-

tahun sejak tahun 80-an mensubsidi besar-besaran untuk penggunaan sel surya. Bahkan

dalam roadmapnya, dicanangkan bahwa pada tahun 2030 kontribusi sel surya akan

sebanyak 10% terhadap total elektrifikasi, belum juga kontribusi dai energi terbarukan

yang lain. China tidak kurang belasan manufaktur sel surya yang

tengah pemproduksi rata-rata 20-50 MW sel surya pertahunnya, India memiliki tidak

kurang 8 manufaktur sel surya yang telah berproduksi mulai akhir tahun 90-an. Di Asia

Tenggara, Thailand telah mengembangkan sel surya dan memiliki 3 manufaktur dengan

kapasitas produksi 15-20 MW pertahun. Negara ini, saat ini juga mengembangkan sel

11

surya langsung untuk mensuplai listrik air condition (AC) untuk gedung-gedung

pemerintahannnya. Philipina mendapat kesempatan mengembangkan sel surya, dimana

UNI Solar USA, telah memindahkan salah satu cabang manufakturnya dari Amerika

Malaysia satu manufaktur sel suryanya telah memproduksi 15MW per tahun dan satu

manufaktur lainnya tengah dikerjakan untuk produksi sekitar 30MW pertahun.

Pemerintah Indonesia sendiri mencanangkan bahwa pada tahun 2025, energi terbarukan

berkontribusi sekitar 4% terhadap total konsumsi energi lokal dimana 0,02% nya berasal

dari energi surya. Untuk mewujudkan hal tersebut perlu dilakukan investasi baik dalam

hal riset maupun untuk produksi massal melalui misalnya subsidi bagi perusahaan yang

berminat mengembangkan sel surya dan juga konsumen pemakai sel surya. Dalam hal

riset untuk sel surya silikon terutama harus difokuskan pada proses pengolahan pasir

silika yang tersedia banyak di Indonesia menjadi wafer silikon yang bisa digunakan untuk

sel surya. Selain itu riset mengenai jenis sel surya berbasis teknologi murah seperti dye-

sensitized solar cell (DSSC) juga perlu mulai dikaji untuk pengembangannya di

Indonesia, karena jenis sel surya ini tidak memerlukan peralatan yang berteknologi tinggi

untuk proses fabrikasinya sehingga dengan kondisi tersebut para peneliti di Indonesia

bisa juga ikut ambil bagian dalam perkembangan DSSC dunia dan juga untuk

kemungkinan produksi massal lokal.

2.3. Dye-sensitized Solar Cell (DSSC)

2.3.1. Umum

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), sejak pertama kali ditemukan oleh Professor Michael

Gratzel pada tahun 1991, telah menjadi salah satu topik penelitian yang dilakukan

intensif oleh peneliti di seluruh dunia. DSSC bahan disebut juga terobosan pertama dalam

teknologi sel surya sejak sel surya silikon[7].

Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia

sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. Selain elektrolit,

DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO2, molekul dye

12

yang teradsorpsi di permukaan TiO2, dan katalis yang semuanya dideposisi diantara dua

kaca konduktif, seperti terlihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Struktur Dye-sensitized Solar Cell[8]

Pada bagian atas dan alas sel surya merupakan glass yang sudah dilapisi oleh TCO

(Transparent Conducting Oxide) bianya SnO2, yang berfungsi sebagai elektroda dan

counter-elektroda. Pada TCO counter-elektroda dilapisi katalis untuk mempercepat reaksi

redoks dengan elektrolit. Pasangan redoks yang umumnya dipakai yaitu I-/I3-

(iodide/triiodide). Pada permukaan elektroda dilapisi oleh nanopori TiO2 yang mana dye

teradsorpsi di pori TiO2. Dye yang umumnya digunakan yaitu jenis ruthenium complex.

2.3.2. Cara kerja

Skema kerja dari DSSC ditunjukkan pada Gambar 2.7. Pada dasarnya prinsip kerja dari

DSSC merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama dimulai dengan terjadinya

eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton. Elektron tereksitasi dari ground

state (D) ke excited state (D*).

D + e- D* (2.5)

Elektron dari excited state kemudian langsung terinjeksi menuju conduction band (ECB)

titania sehingga molekul dye teroksidasi (D+). Dengan adanya donor elektron oelh

elektrolit (I-) maka molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground state) dan

mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang teroksidasi.

2D+ + 3e- I3- + 2D (2.6)

13

Gambar 2. 7. Skema Kerja dari DSSC[8]

Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju counter-elektroda melalui

rangkaian eksternal. Dengan adanya katalis pada counter-elektroda, elektron diterima

oleh elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I3-), akibat donor elektron

pada proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron membentuk iodide (I-).

I3- + 2e- 3I- (2.7)

Iodide ini digunakan untuk mendonor elektron kepada dye yang teroksidasi, sehingga

terbentuk suatu siklus transport elektron. Dengan siklus ini terjadi konversi langsung dari

cahaya matahari menjadi listrik.

2.3.3. Material DSSC

Substrat

Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis TCO (Transparent Conductive Oxide)

yang merupakan kaca transparan konduktif. Material substrat itu sendiri berfungsi

sebagai badan dari sel surya dan lapisan konduktifnya berfungsi sebagai tempat muatan

mengalir.

Material yang umumnya digunakan yaitu flourine-doped tin oxide (SnO2:F atau FTO)

dan indium tin oxide (In2O3:Sn atau ITO) hal ini dikarenakan dalam proses pelapisan

material TiO2 kepada substrat, diperlukan proses sintering pada temperatur 400-500oC

14

dan kedua material tersebut merupakan pilihan yang cocok karena tidak mengalami

defect pada range temperatur tersebut.

Nanopori TiO2

Penggunaan oksida semikonduktor dalam fotoelektrokimia dikarenakan kestabilannya

menghadapi fotokorosi[9]. Selain itu lebar pita energinya yang besar (> 3eV), dibutuhkan

dalam DSSC untuk transparansi semikonduktor pada sebagian besar spektrum cahaya

matahari. Selain semikonduktor TiO2, yang digunakan dalam penelitian ini,

semikonduktor lain yang digunakan yaitu ZnO, CdSe, CdS, WO3, Fe2O3, SnO2, Nb2O5,

dan Ta2O5. Namun TiO2 masih menjadi material yang sering digunakan karena efisiensi

DSSC menggunakan TiO2 masih belum tertandingi.

Di alam umumnya TiO2 mempunyai tiga fasa yaitu rutile, anatase, dan brookite seperti

ditunjukkan struktur kristalnya. Fasa rutile dari TiO2 adalah fasa yang umum dan

merupakan fasa yang disintesis dari mineral ilmenite melalui proses Becher. Pada proses

Becher, oksida besi yang terkandung dalam ilmenite dipisahkan dengan temperatur tinggi

dan juga dengan bantuan gas sulfat atau klor sehingga menghasilkan TiO2 rutile dengan

kemurnian 91-93%. Titania pada fasa anatase umumnya stabil pada ukuran partikel

kurang dari 11 nm, fasa brookite pad ukuran partikel 11 – 35 nm, dan fasa rutile diatas 35

nm[10]

Untuk aplikasinya pada DSSC, TiO2 yang digunakan umunya berfasa anatase karena

mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi. Selain itu TiO2 dengan struktur nanopori

yaitu ukuran pori dalam skala nano akan menaikan kinerja sistem karena struktur

nanopori mempunyai karakteristik luas permukaan yang tinggi sehingga akan menaikan

jumlah dye yang teradsorp yang implikasinya akan menaikan jumlah cahaya yang

terabsorb.

15

Dye

Seperti telah dijelaskan diatas, fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang

teradsorpsi pada permukaan TiO2. Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi

paling tinggi yaitu jenis ruthenium complex.

Walaupun DSSC menggunakan ruthenium complex telah mencapai efisiensi yang cukup

tinggi, namun dye jenis ini cukup sulit untuk disintesa dan ruthenium complex komersil

berharga mahal. Alternatif lain yaitu penggunaan dye dari buah-buahan, khususnya dye

antocyanin. Antocyanin ini yang menyebabkan warna merah dan ungu pada banyak buah

dan bunga. Salah satu pigmen cyanin yang memegang peranan penting dalam proses

absorbsi cahaya yaitu cyanidin 3-O-β-glucoside , struktur kimianya ditunjukkan pada

Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Struktur Kimia Antocynanin Dye

Elektrolit

Elektrolit yang digunakan pada DSSC terdiri dari iodine (I-) dan triiodide (I3-) sebagai

pasangan redoks dalam pelarut. Karakteristik ideal dari pasangan redoks untuk elektrolit

DSSC yaitu[11],

1. Potensial redoksnya secara termodinamika berlangsung sesuai dengan potensial

redoks dari dye untuk tegangan sel yang maksimal.

2. Tingginya kelarutan terhadap pelarut untuk mendukung konsentrasi yang tinggi

dari muatan pada elektrolit.

3. Pelarut mempunyai koefisien difusi yang tinggi untuk transportasi massa yang

efisien.

16

4. Tidak adanya karakteristik spektral pada daerah cahaya tempak untuk

menghindari absorbsi cahaya daatng pada elektrolit.

5. Kestabilan yang tinggi baik dalam bentuk tereduksi mauun teroksidasi.

6. Mempunyai reversibilitas tinggi.

7. Inert terhadap komponen lain pada DSSC.

Katalis Counter Elektroda

Katalis dibutuhkan untuk merpercepat kinetika reaksi proses reduksi triiodide pada TCO.

Platina, material yang umum digunakan sebagai katalis pada berbagai aplikasi, juga

sangat efisien dalam aplikasinya pada DSSC. Platina dideposisikan pada TCO dengan

berbagai metoda yaitu elektrokimia, sputtering, spin coating, atau pyrolysis.

Walapun mempunyai kemampuan katalitik yang tinggi, platina merupakan material yang

mahal. Sebagai alternatif, Kay & Gratzel (1996) mengembangkan desain DSSC dengan

menggunakan counter-elektroda karbon sebagai lapisan katalis[12]. Karena luas

permukaanya yang tinggi, counter-elektroda karbon mempunyai keaktifan reduksi

triiodide yang menyerupai elektroda platina.

2.3.4. Fabrikasi DSSC

Cara paling umum dalam fabrikasi DSSC di laboratorium yaitu menggabungkan dua kaca

dengan lapisan yang berbeda dengan struktur sandwich, sebagai substrat dan superstrat,

yang salah satunya yaitu lapisan TiO2 dimana cahaya masuk dan yang lainnya yaitu

counter-elektroda yang dilapisi katalis contohnya platina. Untuk meminimalisasi biaya

produksi pada skala massal, satu sel bisa dideposisikan secarqa langsung antara kaca

dengan luas permukaan yang tinggi.

Selain itu Kay dan Gratzel (1996) mengembangkan tiga lapisan struktur sel monolithic

(Gambar 2.9), untuk mengadaptasi proses produksi sel surya lapisan tipis sehingga lebih

mudah mencapai tahap komersialisasi. Pada struktur monolithic, semua lapisan dari sel

dapat dideposisikan masing-masing diatas yang lainnya pada satu kaca yang dilapisi

17

TCO, sedangkan satu kaca lain yang berlawanan hanya berfungsi sebagai pelindung dan

enkapsulasi.

Gambar 2.9. Skema dari Dua Struktur Umum sel DSSC (atas) dan modul (bawah) (a)

Struktur Sandwich, (b) Struktur Monolithic [4]

Gambar 2.10. menunjukan alur produksi dari modul DSSC yang dikembangkan oleh

Fraunhofer ISE [13]. Proses produksinya berdasarkan teknologi screen printing dan

metoda thermal yang sering digunakan pada industri gelas. Selain itu proses produksinya

relatif simpel karena menggunakan teknologi yang sudah umum.

18

Gambar 2.10. Proses Pembuatan DSSC yang Dikembangkan Fraunhofer ISE.[13]

2.3.5. Status DSSC

Efisiensi

Tingginya efisiensi konversi energi surya menjadi listrik dari DSSC merupakan salah

satu daya tarik berkembangnya riset mengenai DSSC di berbagai negara akhir-akhir ini,

selain dari proses produksi yang simpel dan biaya produksi yang murah. Tabel 4.1.

menunjukkan beberapa hasil penelitian dari peneliti-peneliti DSSC.

19

Tabel 4.1. Beberapa Hasil Penelitian DSSC dalam Skala Laboratorium.[4]

Selain itu juga terdapat beberapa penelitian yang mencoba alternatif pengganti TiO2

dengan semikonduktor dengan pita energi lebar yang lain contohnya, SnO2, ZnO, dan

Nb2O5 seperti ditunjukkan pada Tabel 4.2. Secara umum performansi TiO2 masih belum

tergantikan.

Tabel 4.2. Beberapa Penelitian DSSC menggunakan Semikonduktor selain TiO2.4]

20

Kemudian Tabel 4.3. menunjukkan penelitian DSSC dalam skala modul dengan struktur

sandwich dan monolithic.

Tabel 4.3. Hasil Performansi dari Modul DSSC.[4]

Harga

Berdasarkan literatur yang didapat, hanya sedikit publikasi mengenai perkiraan harga

dye-sensitized solar cell. Dan beberapa mengestimasi harga yang cukup berbeda dengan

yang lain. Penemu sel surya ini, Gratzel (1994), merujuk kepada estimasi harga yang

dikeluarkan Research Triangle Institute (USA) dengan perkiraan harga US $0,60/Wp.

Tabel 4.4. menunjukkan detail harga yang diestimasi oleh Smestad (1994) dan Solaronix

SA (Meyer 1996). Kedua estimasi harga ini meghasilkan nilai yang cukup berbeda jauh.

Tabel 4.5. menunjukkan perbandingan estimasi harga produksi modul DSSC dengan

harga proyeksi sel surya multikrital silikon (mc-Si) dan sel surya lapisan tipis CdTe.

Sebagai catatan hasil yang ditunjukkan merupaan prediksi harga DSSC untuk masa depan

karena teknolgi DSSC sensdiri masih relatif baru sedangkan harga estimasi mc-Si dan

CdTe merupakan harga yang akan diluncurkan dalam jangka pendek ini.

21

Tabel 4.4. Perbandingan Esimasi Harga Produksi DSSC dari Smestad dan Solaronix[4]

Tabel 4.5. Perbandingan Estimasi Harga DSSC dengan Teknologi Sel Surya lain.

(1) Harga Berdasakan Estimasi Smestad

(2) Harga Berdasarkan Estimasi Meyer

Keuntungan DSSC

Salah satu keuntungan utama teknologi DSSC dibandingkan dengan teknologi sel surya

lain yaitu proses fabrikasinya yang relatif simpel, dan peralatan fasilitas yang dibutuhan

22

relatif mudah dan murah. Teknologi lama seperti screen printing dapat digunakan,

dibandingkan dengan fasilitas clean room yang dibutuhkan oleh teknologi sel surya lain.

Kemudian material dari sel dapat menjadi murah untuk produksi massal, karena keadaan

sekarang harga menjadi signifikan akibat harga dye dan platina. Selain itu karena DSC

dapat dilapisi pada substrat yang fleksibel, contohnya polimer, maka sel surya dapat

diproduksi menjadi berbagai bentuk dan diberbagai lokasi.

23

BAB 3

PELAKSANAAN PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan

Penelitian ini dilaksanakan selama bulan April – November 2007 dengan waktu

efektif kurang lebih 6 bulan. Eksperimen dilakukan di Laboratorium Proses

Material, Program Studi Teknik Fisika, sedangkan pengujian dilakukan diberbagai

tempat/institusi baik didalam ITB maupun di institusi luar ITB.

3.2. Alat dan Bahan

Bahan- bahan :

1. TiCl4 (Titanium tetrachloride) dari Merck

2. 95%ethanol / methanol

3. Block copolymer Pluronic PE 6200 (PEO8-PPO30-PEO8, massa molar =

2450 g/mol) dari BASF

4. Aquades

5. Potassium iodide (KI) dari Merck

6. Iodine (I2) dari Merck

7. Acetonitrile dari Merck

8. PVA (Polyvinyl Alcohol)

9. PEG 400 (Polyethylene Glycol)

10. Asam asetat

11. Buah delima

Peralatan :

1. Gelas kimia

2. Tabung ukur

3. Pipet

4. Kaca konduktif (TCO) jenis ITO (Indium tin oxide)

5. Pengaduk magnetik

6. Cawan petri

7. Oven

8. Hot plate

24

9. Tungku listrik

10. Pembersih Ultrasonik

11. Mortar

12. Scotch Tape

13. Multimeter digital

14. Potentiometer

3.3. Preparasi Komponen-komponen DSSC

Secara umum alur tahapan penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Pasta TiO2

Preparasi bubuk TiO2

Gambar 3.1. Alur Tahapan Pembuatan DSSC

Deposisi TiO2 ke TCO

Adsorbsi dye ke lapisan TiO2

Pembuatan Struktur Sandwich elektroda

TiO2-karbon

Pengisian elektrolit pada sel

Pengujian Sel surya

Preparasi larutan dye

Preparasi Counter

elektroda karbon

Preparasi elektrolit

3.3.1. Pembuatan Bubuk Nanopori TiO2

Nanopori TiO2 disintesis dengan menggunakan metoda sol-gel dengan bantuan

block copolymer sebagai template untuk membentuk struktur nanopori. Langkah-

langkah eksperimennya dijelaskan sebagai berikut :

25

1. Block copolymer Pluronic PE 6200 sebanyak 3 gram dilarutkan pada

ethanol sebanyak 30 gram kemudian diaduk selama 30 menit oleh

pengaduk magnetik.

2. Pada larutan tersebut ditambahkan secara perlahan-lahan prekursor TiCl4

sebanyak 5.7 gram kemudian diaduk selama 30 menit, sehingga rasio

molar TiCl4:ethanol:block copolymer adalah 1:21,7:0,0408.

3. Larutan kemudian dilakukan proses aging pada temperatur 40-45°C

selama 6-7 hari pada cawan petri sampai terbentuk dry-gel.

4. Dry-gel yang terbentuk kemudian dikalsinasi pada temperatur 450°C

selama 4 jam dengan kecepatan pembakaran 5-6°C/menit untuk

mendapatkan bubuk TiO2.

Block copolymer + ethanol

TiCl4

Kalsinasi Temp 450°C 4 jam

Diaduk 30 menit

Diaduk 30 menit

TiCl2(OR)2 (R = CmH2m+1)

Aging Temp. 40-45°C

6 – 7 hari TiO2 dry-gel

Bubuk TiO2

Gambar 3.2. Prosedur Pembuatan TiO2

3.3.2. Pembuatan Pasta TiO2

TiO2 akan dideposisikan dengan teknik lapisan tebal sehingga sebelumnya dibuat

TiO2 dalam bentuk pasta, yaitu dengan prosedur pembuatan sebagai berikut :

26

1. Tambahkan Polyvinyl Alcohol (PVA) sebanyak 10%berat kedalam air,

kemudian diaduk pada temperatur 80oC. Suspensi ini akan berfungsi

sebagai binder dalam pembuatan pasta.

2. Tambahkan suspensi tersebut kepada bubuk TiO2 sebanyak kurang lebih

10%volume. Kemudian digerus oleh mortar sampai terbentuk pasta yang

baik untuk dilapiskan.

3. Derajat viskositas dari pasta untuk mendapatkan pasta yang optimal

didapatkan dengan mengatur banyaknya binder dan juga bila diperlukan

ditambahkan juga air pada campuran binder dan bubuk TiO2.

3.3.3. Preparasi Larutan Dye

Gerus biji buah delima dengan mortar kemudian tambahkan methanol:asam

asetat:air (25:4:21 perbandingan volume) sebanyak 10ml, gerus lagi. Larutan

kemudian difilter dengan menggunakan kertas kasa.

3.3.4. Preparasi Elektrolit

Larutan elektrolit iodide/triiodide dibuat dengan prosedur sebagai berikut,

1. Campurkan 0,8 gram (0,5 M) potassium iodide (KI) kedalam 10 ml

acetonitrile kemudian diaduk.

2. Tambahkan 0,127 gram (0,05 M) Iodine (I2) kedalam larutan tersebut

kemudian diaduk.

3. Simpal larutan dalam botol tertutup.

3.3.5. Preparasi Counter-Elektroda Karbon

Sebagai sumber karbon digunakan graphite dari pensil. Graphite dilapiskan ke

TCO pada bagian konduktifnya kemudian dipanaskan pada temperatur 450oC

selama 10 menit agar graphite membentuk kontak yang baik sesama partikel

karbon dan dengan TCO.

3.4. Assembly DSSC

Setelah masing-masing komponen DSSC berhasil dibuat kemudian dilakukan

assembly untuk membentuk sel surya dengan langkah-langkah sebagai berikut:

27

• Pada TCO yang telah dipotong menjadi ukuran 1,2 x 1,2 cm dibentuk area

tempat TiO2 dideposisikan dengan bantuan Scotch tape pada bagian kaca yang

konduktif sehingga terbentuk area sebesar 1 x 0,6 cm dengan ilustrasi seperti

pada Gambar 3.3. Scotch tape juga berfungsi sebagai pengatur ketebalan

pasta TiO2.

1,2 cm

0,6 cm

1,2 cm1 cm

Gambar 3.3. Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2

• Pasta TiO2 dideposisikan diatas area yang telah dibuat pada kaca konduktif

dengan metoda doctor blade yaitu dengan bantuan batang pengaduk untuk

meratakan pasta. Kemudian lapisan dikeringkan selama kurang lebih 15 menit

dan dibakar/sintering dalam tungku listrik pada temperatur 450oC selama 30

menit.

• Lapisan TiO2 kemudian direndam dalam larutan dye selama kurang lebih 30

menit kemudian lapisan TiO2 akan menjadi berwarna ungu. Pada proses ini

terjadi adsorpsi cyanin ke permukaan TiO2, menggantikan OH- dari struktur

Ti(IV) yang berkombinasi dengan proton dari grup cyanin[14], seperti terlihat

skemanya pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Adsorpsi Senyawa Aromatic Dihidroxy ke TiO2.[15]

• Counter-elektroda karbon kemudian diletakkan diatas lapisan TiO2 dengan

struktur sandwich dimana di masing-masing ujung diberi offset sebesar 0,2 cm

28

untuk kontak elektrik. Kemudian agar struktur selnya mantap dijepit dengan

klip pada kedua sisi.

• Larutan elektrolit kemudian diteteskan kira-kira sebanyak 2 tetes kepada ruang

antara kedua elektroda. Dan sel surya siap untuk diuji.

3.5. Pengujian

Pada peneltian ini selain melakukan pengujian adanya arus dan tegangan pada sel

surya yang telah dibuat, sebelumnya dilakukan pengujian terhadap karakteristik

bubuk TiO2 dan juga larutan dye.

3.5.1. Pengujian Nanopori TiO2

Pada bubuk TiO2 dilakukan beberapa pengujian berupa :

• Thermogravimetry – Diferential Thermal Analysis (TG-DTA)

TG-DTA digunakan untuk menganalisa proses dekomposisi termal dari

sampel. Dari data TG-DTA dapat terlihat temperatur proses kristalisasi

TiO2 dan juga dekomposisi block copolymer. Sampel dipanaskan pada

rentang temperatur 50°-600°C dengan kecepatan 10°C/menit pada kondisi

ruang.

Pengujian TG-DTA dilakukan di Balai Bahan Keramik Bandung.

• X-Ray Diffractometer (XRD)

Struktur kristal dari TiO2 dianalisa dengan X-Ray Diffractometer

menggunakan Philips Analytical X-Ray pada rentang sudut 2θ 10°- 90°.

Persamaan Scherrer digunakan untuk menghitung ukuran kristal dari TiO2:

θβλ

coskD = (3.1.)

dengan adalah ukuran kristal, adalah konstanta yang bernilai 0,94, D k λ

adalah panjang gelombang Bragg, β adalah nilai FWHM (Full-Width

Half Maximum), dan θ adalah sudut Bragg.

Pengujian XRD dilakukan di Laboratorium XRD, Program Studi Teknik

Metalurgi, ITB.

• N2 adsorption

29

N2 adsorption digunakan untuk menentukan luas area spesifik material

dengan metoda Brunau-Emmett-Teller (BET). Alat yang digunakan yaitu

NOVA 1000 High Speed Gas Sorption Analyzer. Sebelum gas N2

diinjeksikan, sampel terlebih dahulu dipanaskan pada 200°C selama 2 jam

pada keadaan vakum untuk menghilangkan air dan minyak.

Pengujian N2 adsorption dilakukan di Laboratorium Analisis Instrumen,

Program Studi Teknik Kimia, ITB.

• SEM (Scanning Electron Microscopy)

SEM digunakan untuk menganalisa struktur morfologi dari sampel TiO2.

Pengujian SEM dilakukan di BATAN, Serpong.

3.5.2. Pengujian Absorbsi Dye

Profil absorbsi dari dye dianalisi dengan menggunakan UV-VIS Spektrometer

dengan instrumen U-1800 Spectrophotometer. Panjang gelombang cahaya yang

digunakan yaitu antara 1000-190 nm, lebar slit 4nm, dengan kecepatan scan

200nm/menit.

3.5.3. Pengujian Sel Surya

Pada sel surya yang telah dirangkai dilakukan dua jenis pengujian yaitu,

1. Pengujian langsung tegangan dan arus yang terukur dari sel surya dengan

menggunakan multimeter. Sumber cahaya yang digunakan yaitu cahaya

matahari langsung dan cahaya OHP untuk pengujian dalam ruangan.

2. Pengujian arus dan tegangan dengan menggunakan potentiometer sebagai

hambatan yang divariasikan dan dilihat perubahannya. Skema rangkaian

listriknya ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Skema Rangkaian Listrik Pengujian Sel surya

30

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Analisis Nanopori TiO2

4.1.1. Hasil TG-DTA

Gambar 4.1. menunjukkan hasil TG-DTA pada kisaran temperatur 50°C sampai

600°C dari sampel TiO2. Dari grafik TGA, yang menunjukan pengurangan massa

sampel sebagai fungsi dari temperatur, terlihat bahwa sampel mengalami

pengurangan massa sebesar 75% ketika dipanaskan sampai sekitar 460°C.

Sehingga pada temperatur diatas 450°C, sampel merupakan murni TiO2 atau

dengan kata lain block copolymer sudah seluruhnya hilang. Selain itu terlihat pada

grafik DTA bahwa kristalisasi TiO2 dari fasa amorf menjadi anatase terjadi pada

temperatur 350oC. Dari pengujian ini diambil bahwa temperatur kalsinasi ideal

adalah 450oC.

Gambar 4.1. Hasil TG-DTA sampel TiO2 gel

4.1.2. Hasil XRD

Pola difraksi sinar-X sampel TiO2 ditunjukkan pada Gambar 4.2. menandakan

TiO2 mempunyai fasa kristal anatase sesuai dengan JCPDS no. 21-1272. Terlihat

31

juga bahwa intnsitas pola difraksi sampel cukup tinggi menandakan TiO2

mempunyai derajat kristalinitas yang baik. Dengan menggunakan persamaan

Scherrer pada indeks bidang miller (101), ukuran kristal yang terhitung yaitu 12,9

nm.

Gambar 4.2. Pola XRD Sampel TiO2

2θ (derajat)

Dari hasil diatas dapat disimpulkan bahwa TiO2 yang disintesis cocok untuk

diaplikasikan dalam DSSC karena mempunyai fasa kristal anatase yang memiliki

kemampuan fotoaktif yang tinggi. Selain itu derajat kristalinitas sampel ini cukup

baik dilihat dari intensitas puncak difraksi yang tinggi dan tegas, dengan derajat

kristalinitas yang baik maka proses difusi elektron di TiO2 akan lebih cepat yang

implikasinya proses tranfer elektron untuk DSSC secara keseluruhan akan lebih

tinggi sehingga akan menigkatkan efisiensi sel surya.

4.1.3. Hasil SEM

Gambar 4.3. menunjukkan gambar SEM sampel TiO2 yang menunjukkan bahwa

ukuran partikel dan pori umumnya lebik kecil dari 100 nm. Sampel juga

mengandung sejumlah jaringan partikel yang membentuk struktur nanopori

material TiO2. Struktur pori yang terlihat umumnya adalah struktur pori antar

32

partikel sedangkan struktur pori dalam partikel tidak terlihat karena keterbatasan

resolusi alat.

Gambar 4.3. Hasil SEM Sampel TiO2 dengan Berbagai Perbesaran

Struktur nanopori dari TiO2 merupakan karaktersitik penting untuk aplikasinya

dalam DSSC, karena posisi dye akan berada pada pori-pori tersebut. Dengan

33

jumlah pori yang banyak yaitu dengan membuat ukurannya menjadi skala nano

maka akan memperbanyak jumlah dye yang teradsorp. Dari gambar SEM terlihat

sampel mempunyai interkoneksi antar partikel yang baik. Interkoneksi partikel ini

dibutuhkan agar jalur difusi elektron menjadi lebih singkat.

4.1.4. Hasil N2 adsorption

Berdasarkan pengukuran N2 adsorption, sampel TiO2 mempunyai luas permukaan

spesifik 97 m2/g. Nilai ini lebih besar daripada nano-TiO2 komersial Degussa P-25

yang umunya dipakai sebagai referensi nanopartikel TiO2, dengan luas permukaan

spesifik BET 50 m2/g. Degussa P-25 mempunyai ukuran kristal 22±3 nm.

Berdasarkan analisa N2 adsorption dapat disimpulkan bahwa TiO2 yang dihasilkan

dari penelitian ini cocok digunakan untuk aplikasi pada DSSC karena memiliki

luas permukaan spesifik yang cukup tinggi diakibatkan oleh ukuran partikel dan

struktur porinya yang berukuran dalam skala nano.

4.2. Analisis Absorbsi Dye Buah Delima

Profil absorbsi cahaya dari pigmen antocyanin buah delima dianalisis

menggunakan UV-Vis Spektrometer. Terlihat pada grafik UV-VIS pada Gambar

4.4. terdapat puncak pada panjang gelombang 562 nm menandakan bahwa

pigmen antocyanin yang ada pada buah delima dapat mengabsorb cahaya dengan

panjang gelombang 562 nm yang masih dalam spektrum cahaya tampak. Pada

bagian panjang gelombang kurang dari 562 nm juga terdapat beberapa puncak

yang merupakan area radiasi ultraviolet dimana hampir semua benda gelap dapat

menyerap radiasi ini.

34

Gambar 4.4. Grafik UV-VIS dari Dye Buah Delima

Sebagai perbandingan, pada Gambar 4.5. merupakan grafik UV-VIS dari dye

ruthenium complex jenis N719 (C58H86O8N8S2Ru) yang diambil dari penelitian

Jian Zhan, dkk[16]. Dari grafik tersebut terlihat bahwa terdapat dua puncak

absorbsi pada panjang gelombang 550 nm dan 400 nm. Ini menunjukkan bahwa

dye jenis ruthenium complex dapat menyerap spektrum cahaya lebih lebar

sehingga dalam hal performansinya lebih baik

Gambar 4.5. Grafik UV-VIS dari Ruthenium Dye N719

35

4.3. Analisis Sel surya

Sel surya yang telah diassembly dilakukan pengujian langsung kemampuan

konversi energinya dengan iluminansi dari cahaya matahari. Seperti terlihat pada

Gambar 4.6. sel surya berhasil mengkonversi energi surya menjadi listrik

ditunjukkan dengan nilai tegangan pada multimeter sebesar 162,4 mV atau 0,1624

V dan arus listrik sebesar 0,07 mA pada kondisi iluminansi cahaya matahari

cerah.

Gambar 4.6. Pengujian Tegangan Sel Surya dengan Iluminansi Cahaya Matahari

Pengujian tegangan sel surya juga dilakukan didalam ruangan yaitu menggunakan

cahaya OHP. Seperti terlihat pada Gambar 4.7(a), dengan iluminansi cahaya

OHP, sel surya menghasilkan tegangan 0,004 V atau 40 mV. Sedangkan ketika sel

surya dalam keadaan tanpa iluminansi cahaya OHP (Gambar 4.7(b)), tidak ada

tegangan yang terukur pada sel surya.

Nilai tegangan yang lebih besar dari iluminansi cahaya matahri disebabkan cahaya

matahri mempunyai intensitas cahaya yang lebih tinggi selain itu spektru cahaya

36

yang dipancarkan lebih lebar. Oleh karena itu cahaya matahari merupakan sumber

iluminansi yang paling efektif untuk pengujian.

a)

b)

Gambar 4.7. Pengujian Tegangan Sel Surya didalam ruangan, (a) Dengan

iluminansi cahaya OHP, (b) Tanpa iluminansi cahaya OHP

37

Kemudian dilakukan juga pengujian sel surya dengan menghubungkannya pada

potentiometer dengan nilai resistansi yang dirubah-rubah. Namun karena ternyata

stabilitas sel surya yang kurang baik sehingga hasil yang didapatkan kurang

optimal untuk mendapatkan kurva I-V yang baik (nilai efisiensi sel surya). Hal ini

diakibatkan enkapsulasi sel surya yang masih belum optimal sehingga larutan

elektrolit cepat sekali menguap oleh panas dari sumber cahaya. Oleh karena itu

untuk penelitian lebih lanjut dalam waktu dekat ini akan difokuskan pada

optimalisasi enkapsulasi sel surya untuk menjaga stabilitas performansi sel.

38

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

1. Pada penelitian ini telah berhasil dilakukan pembuatan prototipe dye-

sensitized solar cell (DSSC) dengn menggunakan kombinasi bahan

inorganik TiO2 dengan bahan organik dye dari ekstraksi buah delima.

2. DSSC yang dibuat berhasil mengkonversi energi surya menjadi energi

listrik.

3. Karakteristik-karakteristik yang menentukan performansi sel surya

diantaranya struktur TiO2, jenis dye (karakteristik absorbsi cahaya), dan

enkapsulasi sel surya.

4. Secara umum teknologi pembuatan DSSC dalam penelitian ini relatif

cukup murah dan tidak membutuhkan peralatan yang besar dan mahal.

5.2. Saran

1. Perlu dikaji lebih jauh mengenai pengaruh berbagai karakteristik

komponen DSSC terhadap performansi sel surya.

2. Perlu dilakukan penelitian DSSC oleh peneliti-peneliti pada berbagai

disiplin ilmu agar kajian yang dilakukan lebih spesifik.

3. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai desain sel yang optimal

untuk menjaga performansi sel surya.

39

DAFTAR PUSTAKA

[1] Greg P. Smestad, 2002, “Optoelectronics of Solar Cells”, SPIE PRESS.

[2] Green, M. A., 2001, “Solar Cell Efficiency Tables (Version 18)”, Prog.

Photovolt. Res. Appl., 9, 287-93

[3] Shah, A., et al., 1999, “Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film

Solar Cells”, Science, 30 July, 285, 692-8.

[4] J. Halme, 2002, “Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic

Cells : technical review and preeliminary test”, Master Thesis of Helsinki

University of Technology..

[5] Annual World Solar Photovoltaic Industry Report, Marketbuzz 2007

report.

[6] Global Market: Current & Next Generation Solar Cell & Related Material

Market Outlooks, Research and Markets reports.

[7] G. Phani, G. Tulloch, D. Vittorio, dan I. Skyrabin, 2001, “Titania solar

cells: new photovoltaic technology”, Renewable Energy.

[8] R. Sastrawan, 2006, “Photovoltaic modules of dye solar cells”, Disertasi

University of Freiburg.

[9] Kalyanasundaram, K., Grätzel, M., 1998, “Applications of functionalized

transition metal complexes in

photonic and optoelectronic devices”, Coordination Chemistry Reviews,

177, 347-414.

[10] H. Zhang, J.F. Banfield, 2000, “Understanding Polymorphic Phase

Transformation Behavior during Growth of Nanocrystalline Aggregates:

Insights from TiO2 “, J Phys Chem B, vol. 104, pp. 3481..

[11] http://www.ise.fhg.de/areas-of-business-and-market-areas/solar-cells/dye-

and-organic-solar-cells/manufacturing-of-dye-solar-cells/manufacturing-

of-dye-solar-cells

[12] Kay, A., Grätzel, M., 1996, “Low cost photovoltaic modules based on dye

sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder”, Solar

Energy Materials & Solar Cells, 44, 99-117.

40

[13] Wolfbauer, G., et al., 2001, “A channel flow cell system specifically

designed to test the efficiency of redox shuttles in dye sensitized solar

cells”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 70, 85-101.

[14] Nerine J. Cherepy, Greg P. Smestad, Michael Gra1tzel, and Jin Z.

Zhang,1997, “Ultrafast Electron Injection: Implications for a

Photoelectrochemical Cell Utilizing an Anthocyanin Dye-Sensitized TiO2

Nanocrystalline Electrode” J. Phys. Chem. B, 101, 9342-9351.

[15] Qing Dai and Joseph Rabani, 2001, “Photosensitization of nanocrystalline

TiO2 films by pomegranatepigments with unusually high efficiency in

aqueous medium”, Chem. Commun., 2142–2143.

[16] Jian Zhan, Peng Sun, Shan Jiang, Xiaohang Sun, “An investigation of the

performance of dye-sensitized nanocrystalline solar cell with anthocyanin

dye and ruthenium dye as the sensitizers”, 2006, Roskilde University

Project.

41

LAMPIRAN

Gambar 1. Dye-sensitized Solar cell (DSSC) yang dibuat dalam Penelitian ini.

Gambar 2. DSSC dan Larutan Elektrolit

40

Gambar 3. Bahan-bahan untuk Pembuatan TiO2

Gambar 4. Bahan-bahan Larutan Elektrolit

41

Gambar 5. Tungku Listrik

Gambar 6. Binder untuk Pembuatan Pasta TiO2

42

Gambar 7. Biji Buah Delima

Gambar 8. Proses Perendaman Lapisan TiO2 pada Larutan Dye

43