Dye ‐ Sensitized Solar Cell
LEMBAR PENGESAHAN
1.4 Kerangka Analitik
Dye‐Sensitized Solar Cell
Dye‐Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan sel surya generasi baru yang dibentuk melalui mekanisme photoelectrochemical. Perkembangan divais ini bermula dari hasil penelitian Michael Gratzel dan rekannya dari Laboratorium Photonic dan Interface EPFL Switzerland di awal tahun 1990‐an. Sel surya pertama yang dikembangkan oleh O’Regan dan Gratzel tahun 1991 menghasilkan konversi energi efisiensi hingga 7%, dan di tahun 1993 Nazeeruddin dan kawan menghasilkan efisiensi sebesar 10 %[4,5].
Struktur dasar DSSC dapat dilihat pada gambar 3. Secara umum DSSC terdiri atas dua substrat berupa transparent‐conducting‐oxide (TCO‐glass), TiO2, dan
larutan elektrolit yang terisi diantara kedua substrat. Substrat bagian atas dilapisi oleh molekul dye yang terikat pada pori‐pori partikel nanokristal TiO2, yang berfungsi
(anoda). Sedangkan substrat TCO glass kedua, disebut kutub positif (katoda), dilapisi oleh platinum (Pt) dan berfungsi sebagai counter electrode.
Gambar 3. Skema struktur Dye‐Sensitized Solar Cell [6]
Prinsip kerja DSSC pada dasarnya merupakan reaksi reduksi‐oksidasi (redox) dengan tahapan reaksi sebagai berikut:
‐ Energi photon yang diserap oleh molekul dye mengakibatkan electron tereksitasi dari orbit terluar (highest occupied molecular orbital – HOMO) D menuju orbit terdalam (lowest unoccupied molecular orbital – LUMO) D* :
*
D h
D+ υ→ (1)
Elektron tersebut kemudian diinjeksikan ke conduction band TiO2 meninggalkan molekul dye teroksidasi D+ sesuai persamaan berikut:
− ++
→ D e
D* (2)
‐ Elektron yang terinjeksi mengalir melalui pori‐pori TiO2 menuju TCO glass sebagai elektroda negatif dan kemudian bergerak melalui external load menuju elektroda positif yaitu counter electrode. Dengan adanya platinum sebagai katalisator, elektron tersebut berekombinasi dengan hole yang terdapat dalam elektrolit dan membentuk muatan negatif iodine.
− − −+ → I e I3 2 3 (3)
Muatan negatif I−kemudian berdifusi kembali menuju dye dan bereaksi dengan molekul dye teroksidasi D+ membentuk satu siklus yang akan berulang kembali dan demikian seterusnya. D I D I 2 2 3 − + + → 3− + (4) Modul DSSC
Modul surya merupakan rangkaian beberapa sel yang dihubungkan secara seri. Pada sel surya konvensional berbasis silikon, modul surya merupakan rangkaian seri terdiri atas beberapa sel individual yang terhubung secara eksternal. Sedangkan pada sel surya thin film (berbasis a‐Si, CIS, atau CdTe), modul surya terbuat dari beberapa sel yang terintegrasi secara internal pada substrat yang sama (lihat gambar 4 sebagai perbandingan). Modul DSSC sendiri pada umumnya dibuat dengan sistem integrasi internal, sama halnya dengan modul surya thin film. Struktur integrasi internal tersebut lebih efisien dan secara ekonomis dapat menghemat biaya produksi dibanding sistem pembuatan modul eksternal.
a. b.
Gambar 4. Contoh modul surya: a. terkoneksi secara eksternal ; b. terkoneksi secara internal dalam satu substrat.
Faktor‐faktor yang perlu diperhatikan dalam mendisain modul surya DSSC secara internal adalah sebagai berikut [7]:
1. Pengaruh efek shading pada sel.
2. Resiko terjadinya electrophoresis akibat kebocoran elektrolit.
3. Efek resistansi shunt (RSH) yang dapat berpengaruh secara electrolytical, bukan hanya secara electrical seperti halnya pada sel surya silikon.
Berdasarkan metode pembuatan interkoneksinya, terdapat 3 tipe rangkaian integrasi seri yang dapat digunakan untuk membangun modul surya DSSC [8]. Ketiga metode tersebut dapat dibuat menggunakan teknologi screen printing. Metode tersebut adalah:
Koneksi tipe‐Z
Metode interkoneksi tipe‐Z diawali dengan pembuatan pola lubang TCO diatas substrat glass menggunakan laser, kemudian diikuti dengan pelapisan TiO2 dan perak pada satu substrat serta pelapisan Pt dan perak pada substrat lainnya. Proses ini diikuti dengan proses pelapisan glass frit. Setelah melalui proses sintering, kedua substrat disatukan pada suhu tinggi sehingga terbentuk hermetic seal diantara sel‐sel yang bersebelahan. Pada saat seal tersebut terbentuk, terjadilah hubungan listrik interkoneksi seri antar sel yang berbentuk Z (lihat gambar 5 untuk skema tahapan prosesnya).
Gambar 5. Tahap fabrikasi interkoneksi tipe‐Z dari tampak samping [7,8].
Koneksi tipe‐W
Proses awal pembentukan tipe W serupa dengan tipe Z. Perbedaan tipe W dengan tipe Z terletak pada pola screen printing pada masing‐masing substrat. Pada tipe W, masing‐masing substrat berfungsi sebagai front electrode dan counter electrode sekaligus karena kedua substrat mendapat pelapisan TiO2 dan Pt dengan struktur berselang seling (lihat Gambar 6). Pada tahap interkoneksi akhir, kedua substrat disatukan dengan pembentukan seal sebagai pembatas antar sel, tanpa adanya perak sebagai penghubung seperti halnya pada tipe Z. Kontak antar sel terbentuk dengan cara menyatukan kedua substrat pada bagian front electrode dan counter electrode yang saling berlawanan.
Gambar 6. Tahap fabrikasi interkoneksi tipe‐W dari tampak samping [7,8]. Keunggulan interkoneksi tipe‐W dibanding tipe‐Z adalah tidak dibutuhkannya pasta perak, sehingga lebih menghemat biaya produksi. Akan tetapi, konfigurasi interkoneksi tipe‐W mengakibatkan tidak dimungkinkannya penambahan lapisan tambahan untuk penyerapan cahaya yang tidak transparan, seperti ZrO2,
dikarenakan pada kedua substrat terdapat elektroda sehingga keduanya harus bersifat transparan.
Koneksi Monolithic
Seperti halnya kedua tipe sebelumnya, perbedaan tipe monolithic ini terdapat pada pola pelapisan substrat. Bedanya, tipe monolithic hanya membutuhkan satu substrat glass yang terlapisi TCO (lihat gambar 7). Hal ini sangat menguntungkan secara ekonomis dikarenakan harga TCO glass yang relatif mahal. Sedangkan kelemahan tipe monolithic ini adalah dibutuhkannya elemen ZrO2 sebagai pemisah anoda dan katoda, serta dibutuhkannya graphite sebagai penghubung seri antar sel. Hal tersebut merupakan factor penghambat karena pembentukan koneksi seri dengan resistansi rendah menggunakan graphite relatif sulit untuk direalisasikan.
Gambar 7. Tahap fabrikasi interkoneksi tipe monolithic dari tampak samping [7.8].
Karakterisasi Modul Surya
Dalam pengukuran sebuah komponen sel maupun modul surya, karakteristik yang diperlukan adalah Kurva I‐V atau hubungan arus dan tegangan, seperti yang diperlihatkan dalam gambar 8.
Gambar 8. Kurva hubungan Arus dan tegangan sebuah sel surya Parameter‐parameter dari kurva tersebut adalah :
1. Arus hubung singkat (ISC) dapat dilihat dalam kurva dan sekaligus tegangan hubung terbuka (VOC). Arus hubung singkat dilihat pada saat tegangan V=0 dan Tegangan hubung terbuka dilihat pada saat arus sama dengan nol (I=0).
2. Daya keluaran maksimum diperoleh dari hasil kali tegangan dan arus yang dihasilkan pada titik maksimum, seperti telihat pada kurva I‐V di atas.
3. Efisiensi (η) merupakan ratio dari daya keluaran maksimum (Pmax) terhadap daya masukan cahaya (Pin)
in
P
Pmax
=
η (5)
4. Fill Factor adalah ratio daya keluaran maksimum (Pm) terhadap produk arus hubung singkat (ISC) dengan tegangan hubung terbuka (VOC).
SC OCI
V P
FF = max (6)
Fill factor ini untuk melihat penyimpangan yang terjadi dari karakteristik I‐V sebuah sel terhadap sel yang ideal. Penyimpangan yang terjadi ini diakibatkan pengaruh resistansi seri dan resistansi paralel.
1.5 Hipotesa
Integrasi sel surya jenis DSSC ke dalam bentuk modul telah diteliti oleh beberapa narasumber, termasuk oleh Späth et. Al. [9] dan Okada et. Al. [10] yang telah berhasil memfabrikasi modul surya DSSC berukuran 10x10 cm2 menggunakan interkoneksi tipe‐Z. Selain itu, berbagai modul surya DSSC serupa dengan ukuran yang lebih besar juga telah dibuat dan dipublikasikan oleh beberapa peneliti, seperti contohnya Sastrawan et. Al. Dengan modul surya ukuran 30x30 cm2 [11] dan Dai et. Al. dengan modul surya ukuran 40x60 cm2 [12]. Kestabilan perfoma modul surya DSSC jangka panjang juga merupakan faktor penting. Hal inipun telah diteliti dan terbukti mampu menghasilkan output daya sesuai yang diharapkan dalam kurun waktu setengah tahun [13].
Beberapa hasil penelitian diatas menunjukkan bahwa rancang bangun modul surya berbasis DSSC adalah hal yang dapat direalisasikan. Selain itu perancangan modul surya DSSC juga sangat mungkin untuk dikembangkan lebih lanjut karena banyak faktor baik dari segi material maupun teknologi fabrikasi yang dapat diteliti mengingat teknologi DSSC sendiri masih relatif baru dibanding kompetitornya yaitu sel surya konvensional berjenis silikon.
Pada kegiatan ini disain modul yang efektif dan parameter proses yang optimal akan diteliti untuk menghasilkan proses fabrikasi yang repeatible sehingga didapatkan modul surya dengan karakteristik listrik yang baik dan efisiensi yang tinggi. Faktor yang juga tak kalah penting untuk dioptimalkan adalah pemilihan material hermatic sealing yang tepat untuk mendukung performa kerja modul surya dalam jangka panjang.