BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Energi Surya Pancaran matahari merupakan radiasi elektromagnetik yang luar biasa banyak. Dalam kaitannya dengan sel surya yaitu perangkat pengkonversi radiasi matahari menjadi listrik, terdapat dua parameter penting dalam energi surya: pertama intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per luas area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari (Smestad, G.P., and M., Grtzel, 1998). Energi surya terpancar hingga ke bumi berupa paket-paket energi yang disebut foton. Total kekuatan radiasinya mencapai 3,83 x 1023 kilowatt (KW). Namun demikian sebagian besar dari radiasi ini hilang di angkasa. 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. Sel Surya Sel surya atau Photovoltaic (PV) cell adalah sebuah peralatan yang mengubah energi matahari menjadi listrik oleh efek fotovoltaik. Photovoltaic merupakan kajian bidang teknologi dan riset yang berhubungan dengan aplikasi sel surya sebagai energi surya. Photovoltaic berasal dari Bahasa Yunani yang merupakan kombinasi kata light, photo, dan voltaic dari nama Alessandro Volta (Pagliaro Mario. 2008). 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% (Green, M. A., 2001). Sel surya dapat menyerap gelombang elektromagnetik dan mengubah energi foton yang diserapnya menjadi energi listrik. Bagian terbesar sel surya adalah sebuah

dioda. Dioda terbuat dari suatu semikonduktor dengan jurang energi (Ec Ev). Ketika energi foton yang datang lebih besar dari jurang energi ini, foton akan diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan elektronhole. Elektron dan hole kemudian ditarik oleh medan listrik sehingga menimbulkan photocurrent (photo current bisa juga dinamakan sebagai arus yang dihasilkan oleh cahaya). Prinsip kerja sel surya adalah berdasarkan konsep semikonduktor p-n junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang membentuk sambungan (junction) p-n, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole). Hal ini dapat dilihat pada struktur sel surya Gambar 1.

Gambar 1. Struktur sel surya silikon sambungan p-n (Halme, 2002).

Semikonduktor tipe-n didapat dari silikon yang didoping unsur golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p diperoleh dengan doping unsur golongan III sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak makakelebihan elektron tipe-n berdifusi ke tipe-p sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yang terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini telah terbentuk sambungan p-n. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.

Gambar 2. Cara kerja sel surya silikon (Halme, 2002).

Ketika sambungan disinari foton dengan energi yang sama atau lebih besar dari lebar pita energi material 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 materi 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 kerja sel surya silikon ditunjukkan pada Gambar 2. 2.2. Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) 2.2.1. 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 silicon. 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 TiO , molekul dye yang teradsorpsi di permukaan TiO , dan katalis yang semuanya22

dideposisi diantara dua kaca konduktif, seperti terlihat pada Gambar 2.6.

Pada bagian atas dan alas sel surya merupakan glass yang sudah dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide) bianya SnO , yang berfungsi sebagai elektroda2

dan counter-elektroda.- 3-

Pada TCO

counter-elektroda dilapisi

katalis

untuk

mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit. Pasangan redoks yang umumnya dipakai yaitu I /I (iodide/triiodide). Pada permukaan elektroda dilapisi oleh nanopori TiO yang mana dye teradsorpsi di pori TiO . Dye yang umumnya digunakan yaitu2 2

jenis ruthenium complex. Dye Seperti telah dijelaskan diatas, fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada permukaan TiO . Dye yang umumnya digunakan dan2

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 buahbuahan, 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--glucoside , struktur kimianya ditunjukkan pada Gambar 2.8.

Sumber Sebagian besar tumbuhan memiliki kandungan antosianin terbesar pada bagian buahnya. Sebagian tanaman lain, seperti teh, kakao, serealia, buncis, kubis merah dan petunia juga memiliki kandungan antosinin pada bagian tubuh selain buah. Anggur merupakan buah yang paling banyak dimanfaatkan sebagai sumber antosianin karena kandungan pigmen tersebut cuku tinggi di dalam kulit anggur. Oleh karena itu, kulit anggur sisa industri pembuatan wine sering dikumpulkan kembali untuk diekstraksi kandungan antosianinnya dengan pelarut yang bersifat asam. Aplikasi Berbagai macam pigmen antosianin yang diekstrak dari buah-buahan tertentu telah banyak dimanfaatkan sebagai pewarna pada produk minuman ringan, susu, bubuk minuman, minuman beralkohol, produk beku, dll. Penggunaan pewarna alami seperti antosinanin semakin diminati karena dapat mengurangi penggunaan pewarna sintetik yang bersifat toksik dan tidak ramah lingkungan. Antosianin juga dimanfaatkan dalam pembuatan suplemen nutrisi karena memiliki banyak dampak positif bagi kesehatan manusia. Selain itu, antosianin juga dimanfaatkan dalam proses penyimpanan serta pengawetan buah, serta pembuatan selai buah. Di Jepang, antosianin tidak hanya digunakan sebagai pewarna makanan, tetapi juga digunakan sebagai pewarna kertas (kertas Awobana). Elektrolit3-

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

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. 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.

2.2.3 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 TiO dimana cahaya2

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 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 Penggunaan Pewarna Alam

Hampir semua tumbuhan yang menghasilkan warna dapat digunakan sebagai pewarna alami karena dapat menghasilkan warna pada jika diekstrak. Masing-masing tumbuhan penghasil warna mempunyai karakter warna tertentu pada setiap perubahan pH. Penggunaan bahan pengekstrak, cara mengekstraksi dan cara penyimpanan mempengaruhi karakter pewarna alami. Bahan pengekstrak dan cara mengekstraksi akan berpengaruh pada warna ekstrak yang digunakan sebagai pewarna alami sehingga tingkat keakuratannya juga akan berpengaruh. Cara penyimpanan akan berpengaruh pada kecermatan penggunaan pewarna alami.

2.2.4 Antosianin

Antosianin

dapat

membentuk

senyawa-senyawa

turunannya

yaitu

antosianidin, sianidin, pelargonidin, petunidin, malvidin dan delfinidin. Antosianidin adalalah senyawa flavanoid secara struktur termasuk kelompok flavon. Glikosida antosianidin dikenal sebagai antosianin. Nama ini berasal dari bahasa Yunani yaitu antho berarti bunga, dan kyanos berarti biru. Senyawa ini tergolong pigmen dan pembentuk warna pada tanaman yang ditentukan oleh pH dari lingkungannya. Senyawa paling umum adalah antosianidin, sianidin yang terjadi sekitar 80 % dari pigmen daun tumbuhan, 69 % dari buah-buahan dan 50 % dari bunga (Diyar Salahudin Ali, 2009). Antosianidin merupakan aglikon yang terbentuk bila antosianin dihidrolisis dengan asam. Antosianidin yang paling umum sampai saat ini adalah sianidin yang berwarna merah lembayung. Warna jingga disebabkan oleh pelargonidin yang gugus hidroksilnya kurang satu dibandingkan dengan sianidin, sedangkan merah tua, lembayung dan biru umumnya disebabkan oleh delfinidin yang gugus hidroksilnya kurang satu dibandingkan sianidin. Prinsip Kerja Antosianin dengan Sel Surya Dye-sensitized sollar cell (DSSC) menggabungkan tiga proses yang berbeda yaitu eksitesi fotosensitizer oleh foton, pemanfaatan pita konduksi, reaksi redoks pada larutan elektrolit. Mula-mula foton yang menerobos kristal nano diabsorb oleh fotosensitiser dan mengeksitasi elektron dari fotosensitizer ke keadaan tereksitasi. Melalui transfer muatan, elektron yang berada pada keadaan tereksitasi akan turun ke pita konduksi dari TiO2, elektron akan mengalir lewat elektroda menuju elektroda lawan. Elektron yang ada di elektroda lawan akan bereaksi dengan larutan eletrolit yang akan menyebabkan terjadi reaksi redoks pada elektrolit. Reaksi redoks pada

elektrolit pada gilirannya akan memberikan elektron kepada fotosensitizer dan siap untuk dieksitasi lagi untuk memulai siklus berikutnya (Akhlus, 2007).

Hubungan Absorbansi dan Panjang Gelombang dengan Antosianin

Pada figure 4, dapat dilihat grafik hubungan antara absorbansi dan panjang gelombang yang terbentuk. Perhitungan properties optik dari cyanidin/TiO2 menggunakan analisis TDDFT. Melalui grafik ini, dapat dilihat perbandingan antara spektrum absorpsi cyanidin/TiO2, TiO2 tanpa penambahan apapun, dan cyanidin tanpa penambahan apapun. Cyanidin sendiri menghasilkan 2 puncak gelombang tertinggi di 520 dan 410 nm. Lain halnya dengan TiO2. Tidak terlihat penyerapan melebihi 400nm. Untuk cya/TiO2 sendiri menghasilkan absorbansi 550 dan 740nm. Sebagai tambahan, ekstrak rosella yang berkomposisi utama cyanin menghasilkan absorbansi yang kuat pada 560nm.