Pembuatan Sel Surya Berbasis Polimer Dra Erlyta Septa Rosa, MT
LEMBAR PENGESAHAN
VIII. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Sebagaimana yang telah direncanakan dalam jadwal kegiatan, kegiatan yang
dilaksanakan pada tahun 2012 ini, yaitu :
i. Studi literatur dan pengadaan bahan.
Sebagian besar bahan‐bahan yang digunakan pada penelitian ini merupakan
bahan impor dan memerlukan waktu lebih dari 2 bulan dalam pengadaannya, seperti glass coated ITO, PET coated ITO, P3HT, PCBM, pasta PEDOT:PSS, chlorobenzene, dan
target Al. Berhubung adanya pembekuan sementara dana DIPA 2012 akibat dari
realokasi anggaran dari pemerintah maka pemesanan bahan‐bahan tersebut baru
dilaksanakan pada bulan April 2012 dan sampai dengan akhir Mei 2012 belum ada
bahan‐bahan yang diterima. Sampai dengan Triwulan I dan II (Juni 2012) dapat
dikatakan belum ada kegiatan penelitian yang selesai dilaksanakan, meskipun semua
peralatan proses seperti screen printer, spinner, oven vakum, lemari asam, neraca analitik, peralatan gelas dan masker dalam kondisi baik dan telah siap untuk digunakan,
bahkan alat evaporator yang sebelumnya dalam kondisi tidak beroperasi telah
dilakukan tindakan perbaikan oleh anggota peneliti sehingga telah dapat beroperasi
dengan baik.
ii. Preparasi peralatan dan masker.
Pembuatan desain masker.
masker single ukuran 2,5 x 2,5 cm2 untuk pola ITO, PEDOT:PSS, Polimer, dan kontak Al.
masker array triple ukuran 7,5 x 2,5 cm2 untuk pola ITO, PEDOT:PSS, Polimer, dan kontak Al.
Hasil desain masker tersebut di atas dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 5. Pola masker single ukuran 2,5 x 2,5 cm2
ITO PEDOT:PSS Polimer Kontak Al
ITO
PEDOT:PSS
Gambar 6. Pola masker array triple ukuran 7,5 x 2,5 cm2.
Sampai dengan Triwulan I dan II (Juni 2012) dapat dikatakan belum ada kegiatan penelitian yang selesai dilaksanakan, meskipun semua peralatan proses seperti screen printer, spinner, oven vakum, lemari asam, neraca analitik, peralatan gelas dan masker
dalam kondisi baik dan telah siap untuk digunakan, bahkan alat evaporator yang
sebelumnya dalam kondisi tidak beroperasi telah dilakukan tindakan perbaikan oleh
anggota peneliti sehingga telah dapat beroperasi dengan baik.
iii. Percobaan litografi ITO.
Proses litografi ITO bertujuan untuk menghapus sebagian lapisan ITO di atas substrat sehingga diperoleh pola sebagaimana yang diinginkan seperti pada gambar 5 dan gambar 6 di atas. Sebelumnya substrat ITO covered glass dan ITO covered PET
dicuci secara ultrasonic masing‐masing menggunakan larutan aceton dan dikeringkan
dengan gas N2. Resist positif MA dilapiskan diatas ITO menggunakan teknik spinning dan
dikeringkan di dalam oven (pre‐bake). Lapisan resist diexpose dengan lampu UV dan didevelop sehingga terbentuk pola ITO. Setelah dipanaskan di dalam oven (post‐bake),
selanjutkan dilakukan proses etsa, yaitu penghilangan lapisan ITO menggunakan
campuran larutan HCl/HNO3/DIH2O pada temperatur 60 ºC selamat 3 menit. Setelah
lapisan ITO hilang, lapisan resist dihilangkan dengan cara dicelupkan ke dalam aceton. Gambar 7 memperlihatkan hasil etsa ITO.
ITO di atas kaca ITO di atas PET
Gambar 8. Hasil etsa ITO di atas kaca dan PET.
iv. Percobaan pelapisan PEDOT:PSS.
Dalam penelitian ini PEDOT:PSS digunakan sebagai hole transporter and exciton blocker, dan mencegah difusi ITO ke dalam polimer active layer. PEDOT:PSS dilapiskan
di atas lapisan ITO sebagaimana yang tercantum pada diagaram alir proses pada
Gambar 3. Substrat yang digunakan adalah substrat fleksibel, yaitu Poli Etilen
Terepthalat (PET), dimana dalam satu substrat dibuat 3 (tiga) buah sel surya polimer dengan luas area 2,6 cm2 yang terhubung secara seri. Proses pelapisan PEDOT:PSS
dilakukan menggunakan teknik screen printing dengan pola masker seperti pada
gambar 9.
Peralatan screen printing screen untuk pelapisan
PEDOT:PSS
Gambar 9. Peralatan Screen printing dan screen untuk pelapisan PEDOT:PSS.
Sebagai tahap awal dilakukan proses printing suspensi 2.8wt % PEDOT:PSS
(dispersion in H2O, low‐conductivity grade) di atas kaca dan PET. Lapisan yang dihaslkan
tidak merata seperti yang terlihat pada gambar 10 dan gambar 11 berikut. Oleh karena itu ke dalam larutan suspensi PEDOT:PSS ditambahkan surfaktan, hasilnya seperti yang terlihat pada gambar 12, lebih merata untuk di tas permukaan ITO, akan tetapi masih jauh dari yang diharapkan jika di atas etch ITO. Kegiatan ini masih berlanjut yaitu dicoba
dengan penambahan binder dan menggunakan PEDOT:PSS dari produk lain.
Karakterisasi lapisan PEDOT:PSS juga belum dilakukan karena menunggu hasil pelapisan yang terbaik.
Gambar 10. Hasil pelapisan suspensi PEDOT:PSS di atas substrat kaca pemanasan 120 ºC.
pemanasan 80 ºC pemanasan 120 ºC
Gambar 11. Hasil pelapisan PEDOT:PSS di atas substrat PET.
Di atas ITO pemanasan 80 ºC Di atas ecth ITO pemanasan 80 ºC
Di atas ITO pemanasan 100 ºC Di atas ecth ITO pemanasan 100 ºC
Di atas ITO pemanasan 120 ºC Di atas ecth ITO pemanasan 120 ºC
Gambar 12. Hasil pelapisan PEDOT:PSS di atas substrat PET.
Dengan penambahan surfaktan pada suspensi 2,8%wt PEDOT:PSS (aldrich)
hasilnya masih belum memuaskan, maka dicoba untuk menggunakan pasta 5%wt
PEDOT:PSS produk dari Orgacon. Hasilnya dapat pada gambar 12, sedangkan hasil
pelapisan PEDOT:PSS di atas substrat kaca dapat dilihat pada gambar 13. Adapun hasil
measurement dapat dilihat pada Tabel 1, sedangkan hasil karakterisasi lapisan
PEDOT:PSS di atas substrat kaca dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar 12. Hasil pelapisan pasta PEDOT:PSS (Orgacon) di atas substrat PET.
Gambar 13. Hasil pelapisan pasta PEDOT:PSS (Orgacon) di atas substrat kaca.
Tabel 1. Hasil pengukuran sheet resistance lapisan PEDOT:PSS di atas substrat PET.
No. Lapisan sheet resistance rata‐
rata kΩ/□
1. PEDOT:PSS annealing 100ºC/10 min 8,309
2. PEDOT:PSS annealing 110ºC/10 min 7,955
3. PEDOT:PSS annealing 120ºC/10 min 6,969
4. PEDOT:PSS annealing 130ºC/10 min 4,643
5. PEDOT:PSS annealing 140ºC/10 min 6,320
6. PEDOT:PSS annealing 150ºC/10 min 7,386
7. ITO di atas substrat PET 0,099
Tabel 2. Hasil pengukuran sheet resistance lapisan PEDOT:PSS di atas substrat kaca.
No. Lapisan sheet resistance rata‐rata
kΩ/□
1. PEDOT:PSS annealing 100ºC/10 min 19,43
2. PEDOT:PSS annealing 110ºC/10 min 19,16
3. PEDOT:PSS annealing 120ºC/10 min 11,61
4. PEDOT:PSS annealing 130ºC/10 min 10,40
5. PEDOT:PSS annealing 140ºC/10 min 10,61
6. PEDOT:PSS annealing 150ºC/10 min 20,93
ITO di atas substrat kaca 0,061
Dari tabel 1 dan tabel 2 dapat dilihat bahwa annealing pada 130ºC selama10 min menghasilkan lapisan PEDOT:PSS dengan sheet resistivity terendah.
v. Percobaan pelapisan polimer P3HT dan PCBM.
Sebagaimana yang tercantum pada diagaram alir proses pada Gambar 3,
pelapisan polimer campuran polimer P3HT dan PCBM dilakukan setelah substrat dilapisi
dengan PEDOT:PSS. Konsentrasi larutan campuran polimer adalah 1 % berat dalam
klorobensen, dengan perbandingan antara P3HT dan PCBM 1 banding 1. Proses
pelapisan campuran polimer tidak dapat dilakukan dengan teknik screen printing
karena larutan polimer yang dihasilkan terlalu encer. Oleh karena itu pelapisan
campuran polimer dilakukan dengan teknik spin coating sebagaimana yang terlihat
pada gambar 14. Pengamatan morfologi permukaan lapisan polimer di atas kaca pada berbagai temperatur post annealing dan hasil pengukuran UV‐VIS dapat dilihat pada gambar 15 dan gambar 16.
Spin coating
kaca
Gambar 14. Alat spin coating dan hasil pelapisan campuran polimer P3HT dan
PCBM di atas substratPET dan substrat kaca dengan teknik spin
coating.
Post annealing 100 ºC Post annealing 120 ºC Post annealing 150 ºC
Gambar 15. Foto morfologi permukaan lapisan polimer di atas kaca pada berbagai
temperatur post annealing.
Gambar 16. Hasil pengukuran UV‐VIS lapisan polimer di atas kaca.
Dari gambar 15 dan gambar 16 dapat diamati bahwa post annealing pada 150 ºC
menghasilkan permukaan lapisan yang lebih merata dan mempunyai transmisi yang
terendah atau absorbsi (penyerapan) cahaya tertinggi.
vi. Percobaan pelapisan kontak Al.
Pelapisan kontak Al dilakukan dengan alat evaporator. Gambar 17
memperlihatkan foto alat evaporator dan hasil pelapisan Alumunium di atas substrat plastik. Pengukuran tebal lapisan Al tidak dapat dilakukan dikarenakan alat thickness
monitor pada evaporator tidak bekerja sebagaimana mestinya.
Hasil evaporator Alumunium di atas
substrat PET. Alat evaporator
Hasil evaporator Alumunium di atas substrat kaca
Gambar 17. Foto alat evaporator dan hasil pelapisan alumunium di atas substrat PET dan kaca.
vii. Percobaan pembuatan sel surya polimer.
Percobaan pembuatan sel surya polimer dilakukan melalui proses sebagaimana
yang tercantum pada diagaram alir proses pada Gambar 3. Pembuatan sel surya
polimer P3HT dan PCBM ini dilakukan di atas substrat kaca. Foto dari sel surya polimer dengan substrat kaca dapat dilihat pada gambar 18. Selain dilakukan pembuatan sel surya polimer di atas substrat PET dengan struktur tunggal dan struktur array yang terdiri dari 3 (tiga) buah sel tunggal yang dirangkai secara seri. Foto dari sel surya polimer dengan substrat PET dapat dilihat pula pada gambar 15.
Substrat kaca Substrat PET tunggal
Substrat PET array terdiri dari 3 (tiga) buah sel tunggal
Gambar 18. Foto prototipe sel surya polimer P3HT dan PCBM di atas substrat kaca dan substrat PET.
viii. Pengukuran kurva I‐V sel surya polimer.
Pengukuran kurva I‐V dilakukan dengan menggunakan peralatan sun simulator
lampu xenon pada radiasi 600 W/m2 dan temperatur 25 ºC. Gambar peralatan
pengukuran kurva I‐V dapat dilihat pada Gambar 19, sedangkan hasil pengukuran
karakteristik I‐V sel surya polimer dengan substrat kaca dan substrat PET masing‐masing dapat dilihat pada Gambar 20, tabel 3, dan gambar 21.
Sel surya polimer dengan substrat kaca mempunyai tegangan sirkit terbuka, arus hubung singkat, daya, fill faktor, dan efisiensi sebesar 0.510 V; 56,5 mA; 8,66 mW; 0.301; dan 0.0028% untuk sel yang diannealing pada temperatur 120 ºC, sedangkan sel
yang diannealing pada temperatur 150 ºC mempunyai tegangan sirkit terbuka, arus
hubung singkat, daya, fill faktor, dan efisiensi sebesar 0.551 V; 49,8 mA; 9,39 mW; 0,343; dan 0.0031%. Efisiensi yang dihasilkan oleh sel yang diannealing pada temperatur 120 ºC maupun yang diannealing pada temperatur 150 ºC hampir sebanding, meskipun demikian sel yang diannealing pada temperatur 150 ºC mempunyai karakteristik listrik
yang lebih baik, sedangkan sel yang diannealing pada temperatur 100 ºC tidak
menghasilkan karakteristik listrik karena “short”. Demikian pula dengan sel surya
polimer dengan substrat PET, karakteristik listrik tidak terukur.
Gambar 19. Foto alat pengukuran Kurva I‐V sel surya polimer.
Gambar 20. Kurva I‐V sel surya polimer P3HT dan PCBM di atas substrat kaca.
Gambar 21. Kurva I‐V sel surya polimer P3HT dan PCBM di atas substrat PET.
Tabel 3. Hasil karakterisasi listrik sel surya polimer di atas substrat kaca.
Karakteristik listrik annealing
100 ºC
annealing 120 ºC
annealing
150 ºC Tegangan sirkit terbuka Voc
(V)
0.510 0,551
Arus hubung singkat Isc (mA)
0.057 0.050
Daya maksimum Pm (mWatt)
0.087 0.094 Fill faktor FF 0.301 0.343 Efisiensi ɳ (%) Tidak terukur (short) 0.0028 0.0031
ix. Karakterisasi IPCE sel surya polimer.
Hasil karakterisasi IPCE (incident photon‐to‐current conversion) sel surya polimer masing‐masing di atas substrat PET dan kaca dapat dilihat pada gambar 22. Dari hasil tersebut dapat diamati bahwa kurva quantum efficiency sel surya dengan substrat PET sebanding dengan substrat kaca. Quantum efficiency sel dengan substrat plastik sedikit lebih tinggi dibanding dengan substrat kaca pada panjang gelombang antara 300 – 400 nm (biru).
Gambar 22. Hasil karakterisasi IPCE sel surya polimer masing‐masing di atas substrat PET dan kaca.
i. Output : Publikasi :
1. “Optical and Electrical Properties of Conductive Polymer PEDOT:PSS Layer”,
Seminar Kimia Dalam Pembangunan ,Jasakiai, Yogyakarta 6 September 2012.
2. “Polymer Solar Cells: Effects of Annealing Treatment and Polymer Blends on I‐V
Characteristics”, Internatioal Conference on Chemical Engineering, UNDIP,
Semarang 11‐12 September 2012. (Telah direview dan akan diterbitkan di jurnal “REAKTOR”, akreditasi DIKTI).
3. “Fabrication of Polymer Solar Cells on Flexible Substrate”, Joint Seminar IMEN‐ LIPI, IMEN UKM, Kualalumpur 20 September 2012.
4. “Fabrication of Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells”, telah disubmitt di Jurnal Teknologi Indonesia, IPT‐LIPI.
5. “Sel Surya Polimer Berbasis P3HT/PCBM”, Seminar Nasional Ilmu Pengetahuan
Teknik LIPI, Bandung, 28‐29 November 2012.
Publikasi : Prototipe :
1 buah sel surya polimer berbasis P3HT/PCBM ukuran 2,5 x 2,5 cm2 dengan tegangan sirkit terbuka, arus hubung singkat, daya maksimum, fill faktor, dan efisiensi masing‐ masing sebesar 0,641 V; 55,20 mA; 9,57 mW; 0,343; dan 0.042%.