USULAN PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA

JUDUL PROGRAM

PENINGKATAN KINERJA SOLAR CELL CNT-ZnO NANO MATERIAL (DYE-SENSITIZED SOLAR CELL) DENGAN AUTO SCANNING POSISI

MATAHARI 3 DIMENSI

Bidang Kegiatan:

PKM-KC

Diusulkan Oleh:

ANDRI WIBOWO (NIM. 21060110120059/ Angkatan 2010)

GLAR DONIA DENI (NIM. 24030111130067/ Angkatan 2011)

KASTO WIJOYO T. G. (NIM.24040210060014/ Angkatan 2010)

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2012

DAFTAR ISI

Halaman Judul..........................................................................................................i

Halaman Pengesahan...............................................................................................ii

Daftar Isi dan Gambar.............................................................................................iii

Latar Belakang............................................................................……….................1

Rumusan Masalah....................................................................................................2

Tujuan......................................................................................................................2

Luaran yang Diharapkan..........................................................................................3

Kegunaan............................................................................................... .................3

Tinjauan Pustaka............................................................................................. ........3

Metode Pelaksanaan.................................................................................................7

Jadwal Kegiatan.......................................................................................................8

Rancangan Biaya......................................................................................................9

Daftar Pustaka..........................................................................................................9

Lampiran................................................................................................................10

iii 

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Standar Spektrum Radiasi Surya...........................................................4

Gambar 2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction..................................................5

Gambar 3. Cara kerja Sel Surya Silikon.................................................................5

Gambar 4. Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003...................7

Gambar 5.RangkaianSitemControl.........................................................................8

Gambar 6. Desain DSSC.......................................................................................15

Gambar 7. Desain Auto Scanning........................................................................15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iv 

A. JUDUL

“Peningkatan Kinerja Solar Cell CNT-ZnO Nano Merial (Dye-sensitized Solar Cell) dengan Auto Scanning Posisi Matahari 3 Dimensi”

B. LATARBELAKANG MASALAH

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.

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 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.

Indonesia terletak didaerah sekitar khatulistiwa. Oleh karena itu secara geografis, posisi matahari setiap saat akan berubah. Matahari dapat menyinari bumi pada waktu siang hari. Secara umum matahari akan terbit dari timur kebarat dalam hitungan detik, menit dan jam. Serta matahari akan cenderung bergeser ke selatan dan utara dalam sela waktu beberapa bulan. Melihat permasalahan diatas maka sangat diperlukan suatu alat yang mampu mengatur arah sel surya (Solar-Cell) agar selalu menghasilkan keluaran tegangan yang maksimal pada setiap jamnya. Dari hal diatas Penulis mencoba merealisasikan alat yang dapat mengatur bagaimana arah sel surya selalu mengikuti pergeseran dari sumber cahaya dan selalu menghadap tegak lurus dengan matahari menggunakan sistem auto scanning matahari. Diharapkan dengan diaturnya arah sel surya akan selalu dihasilkan keluaran tegangan dari sel surya itu maksimal. Untuk memaksimalkan energy matahari pada DSSC tersebut, sistem ini didukung piranti elektronik yang cerdas dan hemat energy serta sensor dan tranduser yang akurat. Dengan demikian enegi matahari akan dimanfaatkan DSSC secara maksimum.

1 

C. PERUMUSAN MASALAH

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.

Posisi matahari sangat menentukan hasil keluaran dari solar cell. Sinar matahari akan diterima secara maksimal jika menyinari solar cell secara tegak lurus. Selama ini solar cell dilatakkan pada satu arah dengan sudut kearah matahari pada saat posisi didaerah khatulistiwa. Pada posisi demikian hasil keluaran solar cell tidak optimal pada waktu tertentu.

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 ZnO dengan Dye N3 yang lebih mudah didapat dan harganya lebih murah. Perbandingan harga ZnO dengan TiO2 sekitar 1:10, sehingga memperbesar peluang solar cell untuk digunakan masyarakat pada semua kalangan. Serta untuk mengoptimalkan kinerja solar cell akan ditambahkan bahan CNT nano material pada silikon. Dikarenakan CNT merupakan material yang berbentuk tabung yang berukuran nano, sehingga akan menghasilkan jumlah muatan listrik yang lebih banyak dan daya keluaran solar cell akan meningkat. Sedangkan untuk memaksimalkan fotovoltaik digunankan auto scanning 3D untuk menjaga luas permukaan pencahayaan matahari.

D. TUJUAN

Tujuan karya ini yaitu,

1. Desain dan fabrikasi prototipe dye-sensitized solar cell (DSSC) dengan menggunakan material-material yang bisa diperoleh dari limbah-limbah di Indonesia.

2. Pembuatan kerangka dan mekanis auto sacanning yang mampu bergerak secara 3 dimensi mengikuti arah gerak matahari.

3. Pembuatan sistem kontrol electric dengan mendeteksi intensitas cahaya matahari maksimal dengan mengatur posisi soolar cell sesuai arah pencahayaan matahari.

E. LUARAN YANG DIHARAPKAN

Luaran yang diharapkan dari penelitian yang berjudul “Peningkatan Kinerja Solar Cell CNT-ZnO Nano Merial (Dye-sensitized Solar Cell) dengan Auto Scanning Posisi Matahari 3 Dimensi” ini adalah terciptanya sebuah prototipe Solar Cell dengan auto scanning yang mampu menangkap sinar matahari lebih efektif dan efisian, juga Lebih

2 

memasyarakatkan DSSC teknologi nano dan auto scanning posisi matahari sebagai alternatif sel surya yang murah dan power full.

F. KEGUNAAN

Kegunaan dari karya ini yaitu,

1. Menjadi alternatif pembangkit listrik solar cell yang murah, efektif, perfoma tinggi dan bebas polusi.

2. Menyediakan perangkat yang mampu mengoptimalkan pemanfaatan energi matahari dengan sistem control otomatis, yang mampu mendeteksi intensitass cahaya matahari dan mengtur posisi solar cell sehingga menambah/ meningkatkan kinerja solar cell.

G. 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],

3 

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 1.

Gambar 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).

4 

Gambar 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 3. Cara kerja Sel Surya Silikon

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

5

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 3.

2.2.3. 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..

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.

Gambar 4. (Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003 beserta tipe sel suryanya

H. METODE PELAKSANAAN 1. Tempat dan Waktu Penelitian

Waktu yang dibutuhkan untuk pembuatan alat dan penelitian ini adalah 5 bulan. Kegiatan dilakukan di tiga tempat, yaitu :

1. Laboratorium Kimia Universitas Diponegoro 2. Laboratorium Fisika Material Universitas Diponegoro 3. Laboratorium Teknik Kimia Universitas Diponegoro

6

4. Laboratorium Energi LIstrik Elektro Universitas Diponegoro 5. Laboratorium Instrumentasi dan Elektronika Universitas Diponegoro

2. Variabel Penelitian Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini :

1. Bahan baku material(CNT,ZnO, Si) 2. Kerangka dan sistem mekanis auto scanning 3. Sistem kontrol elektronik auto scanning

Variabel tidak tetap yang digunakan dalam penelitian ini :

1. Cahaya Matahari untuk fotovoltaik )

3. Prosedur penelitian Prosedur penelitian yang akan dilaksanakan dibagi menjadi 3 bagian yang dapat dikerjakan secara bersamaan :

1. Pembuatan solar cell 2. Pembuatan kerangka dan mekanis auto scanning 3. Pembuatan sistem kontrol auto scanning

Mulai

Pembuatan material DSSC

Pembuatan kerangka dan mekanis auto scanning

Pembuatan sistem control auto scanning(sudah jadi)

selesai

Pengujian solar cell

Pengujian Material DSSC

Fabrikasi DSSC Pengujian sistem controlPengujian Mekanis

Asembly sistem control Asembly kerangka & mekanis

Pengujian DSSC Finishing kerangka dan mekanis Finishing sistem control

Asembly DSSC auto scanning keseluruhan

7 

4. Hasil Sementara Sitem kontrol telah dibuat hardware, tinggal sinkronisasi saja dengan sistem mekanis. Setelah itu bisa diprogram dan uji coba. Dengan hasil jadi sitem kontrol sebagai berikut ini :

Gambar 5. rangkaian sistem kontrol

Dengan demikian maka untuk pekerjaan poembuatan sitem kontrol tinggal ke tahap asembly dan pengujian saja.

I. JADWAL KEGIATAN Proyek penelitian ini dilaksanakan selama 5 bulan dengan rincian sebagai berikut:

Tabel 1. Jadwal kegiatan program

No Uraian Tahap Bulan 1 Bulan 2 Bulan 3 Bulan 4 Bulan 5 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 Pembuatan DSSC

2 Pembuatan Sistem Mekanis

8

3 Pembuatan sistem Control

4 Pengujian Solar Cell

J. RANCANGAN BIAYA Tabel 2. Rancangan biaya No Keperluan keterangan Jumlah pengeluaran

1. Bahan CNT 1 Kg Rp. 1.200.000,00

Silika 1 Kg Rp. 450.000,00 Kaca Fiber 1 Lembar Rp. 600.000,00 ZnO 1 liter Rp. 150.000,00 Elektroda Konduktor 1 lembar Rp. 400.000,00 Pembuatan Auto Scanning 1 unit Rp. 1.440.000,00 Bahan Lain-lain pendukung General Rp. 200.000,00

2. Alat pendukung Spryer General Rp. 170.000,00

Kompresor General Rp. 1.740.000,00 Alat Press General Rp. 2.500.000,00 Macam-maccam Gelas Ukur Pirex Rp. 480.000,00 Solder General Rp. 130.000,00 Timah General Rp. 98.000,00 Alat Lain-lain General Rp. 200.000,00

3. Biaya Transportasi Perjalanan Rp. 400.000,00 4. Biaya Pengujian Pengujian ZnO Di laboratorium Rp. 450.000,00

Pengujian absorsi Dye Di laboratorium Rp. 600.000,00 Pengujian efisiensi DSSC Di laboratorium Rp. 300.000,00

5. Penyusunan Laporan Printing Rp. 120.000,00 6. Publikasi dan dokumentasi Percekatakan Rp. 150.000,00

Total Rp. 11.778.000,00

K. DAFTAR PUSTAKA

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

9 

Green, M. A., 2001, “Solar Cell Efficiency Tables (Version 18)”, Prog. Photovolt. Res. Appl., 9, 287-93

Shah, A., et al., 1999, “Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film Solar Cells”, Science, 30 July, 285, 692-8.

J. Halme, 2002, “Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells : technical review and preeliminary test”, Master Thesis of Helsinki University of Technology..

Annual World Solar Photovoltaic Industry Report, Marketbuzz 2007 report.

Global Market: Current & Next Generation Solar Cell & Related Material Market Outlooks, Research and Markets reports.

G. Phani, G. Tulloch, D. Vittorio, dan I. Skyrabin, 2001, “Titania solar cells: new photovoltaic technology”, Renewable Energy.

R. Sastrawan, 2006, “Photovoltaic modules of dye solar cells”, Disertasi University of Freiburg.

Kalyanasundaram, K., Grätzel, M., 1998, “Applications of functionalized transition metal complexes in photonic and optoelectronic devices”, Coordination Chemistry Reviews, \ 177, 347-414.

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..

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.

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.

L. LAMPIRAN

Lampiran 1 : Biodata Ketua

1. Nama : Andri Wibowo 2. Tempat/ Tanggal Lahir : Tangerang, 11 Juni 1992 3. NIM : 21060110120059 4. Fakultas/ Universitas : Fakultas Teknik/ Universitas Diponegoro

10 

11 

12 

2. Tempat, tanggal lahir : Yogakarta, 21 November 1972

3. NIP : 19721121 199802 1 001

4. NIDN : 0021117203

5. Pangkat/Golongan : Penata Tk I/ III-C

6. Jabatan fungsional : Lektor

7. Fakultas : Sains dan Matematika

8. Jurusan : Fisika

9. Laboratorium : Elektronika dan Instrumentasi

10. Kepakaran : Fisika Komputasi dan Material

11. Alamat Kantor : Jl. Prof. H. Soedharto, SH. Tembalang Semarang

Telp. (024) 70790933, Fax. (024) 7680822

12. Alamat Rumah : Jl. Bukit Kelapa Gading IIIAN-25 Bukit Kencana Jaya Semarang

Telp. (024) 76484271

HP. 082129945550

13. Email : jatmikoendrosuseno@undip.ac.id

jatmikoendro@gmail.com

14. Pendidikan Bergelar :

JenjangPendidika

Nama Institusi

Pendidikan

Tahun Lulus

Judul Skripsi/Tesis/Disertasi

S 1 UNDIP 1997 Animasi dan Analisa Grafik Renogram 4 Probe

S 2 ITB 2002 Identifikasi Kualitas Susu dengan Spektroskopi Cahaya Tampak Menggunakan Jaringan Syaraf Tirua

S3 UTM 2012 Simulation and Modeling of CurveChannel Metal Oxide SemiconductoField Effect Transistor

15. Pelatihan

13 

No Nama Pelatihan Nama Institusi Penyelenggara Tahun

1 Media Komunikasi LPP UNDIP 2004

2 LABVIEW workshop Monash University, Malaysia 2009

3 Workshop on Journal Publications UTM, Malaysia 2009

4 Thesis Writing In English For Postgraduates

UTM, Malaysia 2009

5 Short Course On Introduction To Finite Element Method For Engineering Applications

UTM, Malaysia 2010

6 Training Course on Mathematica V7 UTM, Malaysia 2010

16. Pengalaman Penelitian

No Judul Penelitian Tahun 1 Rancang Bangun Sistem Pengukur Tingkat Tekanan Suara Berbasis

Komputer 1998

2 Rancang Bangun Sistem Pengaturan Intensitas Cahaya Berbasis Komputer 2001

3 Rancang Bangun Sistem Spektroskopi Cahaya Tampak untuk Penentuan Komposisi Susu Sapi

2002

4 Rancang Bangun Sistem Spektroskopi Cahaya Tampak dan Identifikasi Kualitas Minyak Pala Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan

2003

5 Rancang Bangun Monokromator Dengan Pemilihan Panjang Gelombang Secara Otomatis Menggunakan Mikrokontroler AT89S51

2004

6 Rancang Bangun Peralatan Spektroskopi Inframerah untuk Penentuan Kualitas Susu Sapi Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan

2005

7 Identifikasi Suatu Unsur berdasarkan Spektrum Emisi Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan

2006

Semarang 30, Oktober 2012

Dr. Jatmiko Endro Suseno, M.Si

    14 

Lampiran 3.

Gambaran umum teknologi :

Gambar 6. Desain DSSC

Gambar7. desain Auto Scanning

15