SENSITIZED SOLAR CELL FABRICATION
Haerul Fahmi1,*, Dian W.Kurniawidi, Siti Alaa’1, dan Susi Rahayu1
1Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Mataram,
Jl. Majapahit 62 Mataram 83125
*email: [email protected]
ABSTRAK
DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) merupakan sel surya generasi terbaru yang akan menggantikan sel surya konvensional di masa depan. Pengembangan DSSC didasari atas ketidakpraktisan sel surya konvensional berbasis silicon, mulai dari fabrikasi yang rumit, biaya produksi yang mahal hingga tidak ramah lingkungan. Pengembangan DSSC terus dilakukan terutama terkait rendahnya efisiensi yang dihasilkan dibandingkan dengan sel surya konvensional. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi dye antosianin yang ditinjau dari spectrum absorbsinya yang diperoleh melalui karakterisasi spektrofotometri UV-Vis. Panjang gelombang yang digunakan yaitu 350 nm-700nm. Dari hasil karakterisasi menunjukkan dye antosianin seperti Ketimus dan Buni mampu menyerap lebih banyak foton dibandingkan dye antosianin lainnya. Oleh karena itu dye alam tersebut berpotensi sebagai penangkap foton dalam fabrikasi DSSC.
Kata kunci : Dye alam, DSSC, foton, antosianin
ABSTRACT
DSSC ( Dye - sensitized Solar Cell ) is the latest generation of solar cells that will replace conventional solar cells in the future. The development is based on the impracticality DSSC conventional silicon- based solar cells, ranging from the fabrication of complex, expensive production costs to unsustainable. DSSC continued development primarily related to low efficiencies generated compared to conventional solar cells. This study aims to determine the potentisal of the antosianin dyes in terms of a spectrum absorbance. Spectrum absorbance obtained through the characterization of UV- Vis spectrophotometry . The wavelength used is 350 nm to 700 nm. Characterization results showed antosianin dyes are like, Ketimus and Buni able to absorb more photons than other antosianin dyes. Therefore, the potential as a natural dyes photons catcher in the fabrication of DSSC .
Keywods: Natural Dyes, Dye-Sensitized Solar Cell, Photons, antosianin
PENDAHULUAN
Sinar matahari merupakan sumber energi utama bagi mahluk hidup. Salah satu cara untuk memaksimalkan penyerapan dan pemanfaatan energi matahari adalah dengan menggunakan sel surya. Kemajuan teknologi menyebabkan munculnya pengembangan sel surya yang ramah lingkungan, salah satunya yaitu DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell). DSSC
merupakan sel surya generasi terbaru yang memanfaatkan dye sebagai penyerap foton.
Prinsip kerjanya seperti klorofil (zat hijau daun) pada tumbuhan. Keunggulan dari sel surya ini adalah teknik fabrikasinya relatif sederhana sehingga biaya produksi relatif rendah (Hariyadi, 2010).
100
Mataram, 10-11 2016
semikonduktor dan penyerap foton. Secara umum lapisan penyerap foton terdiri dari dua jenis dye yaitu sintetis dan organik. Beberapa penelitian berikut menggunakan dye organik dalam fabrikasi DSSC, misalnya ekstrak klorofil Spirulina Sp (Mustikasari dkk., 2013), ekstrak jahe merah (Ekasari dan Gatut 2013), ekstrak kulit terong (Subodro dan Sunaryo 2013), dan ekstrak beras hitam yang dilakukan oleh (Saehana, 2013 ; Yuliza dkk, 2013). Namun
dikarenakan kurangnya informasi terkait dye bahan alam yang digunakan pada penelitian
tersebut, maka penelitian tersebut mengahasilkan sel surya efisiensi rendah.
Pada umumnya ekstrak dye yang dapat digunakan sebagai penangkap foton yaitu dye yang menggandung antosianin, klorofil dan xantofil. Semua senyawa tersebut berasal dari daun, biji, buah dan bunga tumbuhan. Namun sensitasi semikonduktor biasanya menggunkan antosianin yang berasal dari pigmen alami hal ini karena antosianin memiliki keunggulan yang lebuh dari klorofil sebagaisensitizer DSSC (Hao, et al, 2006). Hal yang membedakan penelitian ini dengan penelitian lainnya yaitu penggunaan lima bahan alam yang mengandung pigmen antosianin.
Antosianin berpotensi sebagai penangkap foton karena memiliki spektrum cahaya dengan rentang yang cukup lebar (Nugrahawati, 2012). Spektrum absorbansi yang luas tersebut memungkinkan foton dapat terserap secara oprtimun. Nilai spektrum absorbansi diperoleh melalui karakterisasi spektrofotometri UV-Vis. Spektrum dari sinar tampak dapat diperhatikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Spektrum dari Sinar Tampak (Smestad dan Gratzel, 1998)
Panjang Gelombang
(nm) Warna yang diserap Warna Komplementer (Warna yang terlihat)
400-435 Ungu Hijau kekuningan
435-480 Biru Kuning
480-490 Biru Kehijauan Jingga
490-500 Hijau kebiruan Merah
500-560 Hijau Ungu kemerahan
560-580 Hijau kekuningan Ungu
580-595 Kuning Biru
595-610 Jingga Biru Kehijauan
610-800 Merah Hijau Kebiruan
Oleh karena itu penelitian ini telah mengkaji potensi bahan alam sebagai penangkap foton dalam fabrikasi DSSC. Adapun bahan alam yang digunakan yaitu, lebui (Glycin max (L) Merrit), stroberi (Fragaria spp), buni (Antidesma bunius), ketimus dan buah naga (Hylocereus costaricensis), Penggunaan dye antosianin diharapkan mampu menghasilkan sel surya yang memiliki kemampuan untuk menyerap foton dengan baik serta ramah lingkungan.
101
Mataram, 10-11 2016
METODE PENELITIAN
Penelitian ini termasuk dalam jenis penelitian eksperimental yang dilakukan di
laboratorium fisika dasar dan kimia dasar fakultas matematika dan ilmu pengetahuan alam, universitas mataram. Adapun bahan,peralatan dan prosedur yang digunakan dalam
penelitian ini adalah sebagai berikut.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah buah naga, stroberi, buni, kulit ketimus dan kulit lebui. Sedangkan larutan yang digunakan adalah akuades, etanol dan asam asetat.
Peralatan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah ultrasonic cleanser, magnetic stirrer, mortar, gelas ukur, corong kaca, erlenmeyer, timbangan digital, kertas saring whatman no 42 dan spektrophotometer UV-Visible Uvikom.
Prosedur
Prosedur yang dilakukan dalam penelitian ini melalui empat tahapan meliputi persiapan,
preparasi konsentrasi dye antosianin dan pengambilan data spectrum absorbansi dye
antosianin. Untuk lebih jelasnya berikut adalah penjelasan dari masing-masing tahapan. Persiapan
Persiapan ini meliputi pembersihan alat-alat untuk ekstraksi. Proses persiapan untuk
ekstraksi dilakukan dengan pembersihan alat sintesa menggunakan ultrasonic cleanser.
Proses ekstraksi dimulai dengan memotong semua bahan agar mudah dihaluskan. Selanjutnya 5 gram bahan alam dilarutkan kedalam 20 ml pelarut yang terdiri dari etanol, asam asetat dan aquades dengan pebandingan volume 5 : 1 : 4. Selanjutnya campuran tersebut diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 10 dengn kecepatan dan temperature konstan.
Preparasi konsentrasi dye antosianin
Dye antosianin yang digunakan yaitu yaitu ekstraksi lebui yang telah mengalami
pengenceran dengan konsentrasi volume larutan 12.5% , 25% dan 50%. Konsentrasi larutan 25 % memiliki spektrum absorbansi optimum dan stabil sehingga digunakan sebagai standar untuk konsentrasi larutan lima dye antosianin lainnya.
102
Mataram, 10-11 2016
Pengambilan data
Proses pengambilan data dilakukan menggunakan spektrometer UV-Vis Uvikom. Tahapan ini bertujuan untuk memperoleh spektrum absorbansi dari ekstrak bahan alam yang
digunakan. Pengambilan data dilakukan dengan mengukur spektrum absorbansi dye
antosianin dengan konsentrasi pengenceran 25 %. Panjang gelombang yang digunkaan berada pada rentang cahaya tampak yaitu 400 nm hingga 650 nm.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini dilakukan kajian mengenai potensi sepuluh ekstrak bahan alam sebagai dye organik dalam fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC). Sebelum digunakan sebagai sensitizer ekstrak bahan alam terlebih dahulu diuji spektrum absorbansinya menggunakan spektrofotometer UV-Vis Uvikom. Ekstrak bahan alam yang digunakan terdiri dari lima bahan yang menandung pigmen. Pada bagian ini pula akan disajikan hasil karakterisasi UV-Vis dengan meninjau spektrum absorbansinya.
Hasil Preparasi Konsentrasi Larutan Dye
Secara umum sifat optik mengarah pada respon suatu material terhadap radiasi eletromegnetik dan secara khusus pada rentang cahaya tampak. Beberapa sifat optik material adalah absorbansi, refleksi dan transmisi. Pada penelitian ini sifat optik hanya dibatasi pada absorbansi pigmen antosianin dan pigmen klorofil. Absorbansi cahaya terjadi ketika eksitasi elektron dari pita valensi melewati band gap menuju pita konduksi, sehingga terbentuk sebuah
elektron bebas dalam pita konduksi dan hole di pita valensi (Calister. dkk, 2009). Pada
penelitian ini dilakuakan penelitian pendahuluan untuk mengoptimalkan nilai spektrum absorbansi pigmen antosianin yang diperoleh.
Penelitian pendahuluan dilakukan dengan menentukan konsentrasi larutan dye
berupa ekstrak lebui. Dalam penelitian ini digunakan persen volume untuk konsentrasi ekstrak lebui sebesar 12.5 %, 25% dan 50%. Hasil ekstrak dye lebui dapat dilihat pada Gambar 1.
103
Mataram, 10-11 2016 Gambar 1. Ekstrak Dye Lebui dengan Konsentrasi
12.5%, 25% dan 50% dari Kiri
Apabila ditinjau dari warna komplamenter (warna yang terlihat) pada Gambar 1. Secara
umum ekstrak dye lebui menghasilkan larutan berwarna ungu kemerahan. Pada Tabel 1
warna merah memiliki panjang gelombang dengan rentang antara 500 nm hingga 560 nm. Rentang tersebut masuk kedalam rentang panjang gelomabang yang disinari spektrum cahaya tampak. Untuk mengetahui spektrum absorbansi pada nilai panjang gelombang tertentu dapat dilihat pada Gambar 2 dan Tabel 2 dibawah ini.
Gambar 2. Kurva Spektrum Absorbansi Ekstrak Dye Lebui Pada Tingkat Konsentrasi Yang Berbeda
Tampak pada gambar 2. spektrum absorbansi optimum diperoleh dari ekstrak dye lebui dengan konsentrasi 50%. Lambert (1760) dan Beer (1562) menunjukan adanya hubungan antara serapan dan konsentrasi, yaitu nilai konsentrasi suatu larutan akan berbanding lurus dengan serapan yang diterima. Untuk lebih jelasnya, pernyataan tersebut dapat direprentasikan pada tabel 2.
Tabel 2. Nilai Spektrum Absorbansi Ekstrak Dye Lebui Pada Tingkat Konsentrasi Yang Berbeda
104
Mataram, 10-11 2016
12.5 0.227 518
25 0.699 516
50 2.788 518
Telah dibahas sebelumnya bahwa konsentrasi 50 % dari ekstrak dye lebui memiliki spektrum absorbansi optimum dibandingkan konsentrasi lainnya yaitu bernilai 2.788 a.u. Selain spektrum absorbansi, pola spektrum menjadi faktor yang tidak kalah pentingnya. Spektrum dan pola absorbansi digunakan untuk memperoleh konsentrasi larutan standar. Konsentrasi larutan inilah yang akan digunakan sebagai acuan dalam penelitian selanjutnya.
Tampak pada Gambar 2 pola spektrum absorbansi untuk konsentrasi 50 % bergerigi. Keadaan tersebut disebabkan oleh bahan pengotor dan kepekatan larutan. Penelitian Huda (2001) menyatakan bahwa apabila terdapat pengotor yang juga mempunyai serapan pada
gelombang optimum (λopt) maka pengukuran bukan dilakukan pada panjang gelombang
optimum tersebut. Oleh sebab itu pada penelitian ini menggunakan konsentrasi 25% sebagai acuan untuk konsentrasi ekstrak lima bahan alam lainnya.
Karakteristik Spektrum Absorbansi Dye antosianin
Pada penelitian ini digunakan lima ekstrak bahan alam yang mengandung pigmen antosianin, diantaranya buah buni, buah stroberi, buah naga, kulit buah naga dan kulit ketimus. Ekstrak bahan alam tersebut diukur spektrum absorbansinya pada rentang 400 nm
hingga 650 nm. Spektrum absorbansi masing-masing dye antosianin dalam bentuk larutan
etanol : asam asetat : akuades dengan perbandingan volume 5 : 1 : 4 konsentrasi 25%. Berikut ini (Gambar 3) merupakan hasil karakterisasi spektrum absorbansi dye antosianin.
Gambar 3. Spektrum Absorbansi Dye Antosianin
Tampak pada Gambar 3, spektrum absorbansi dye buah buni terbilang lebar yang
105
Mataram, 10-11 2016
yang diperoleh dye buah buni berpotensi digunakan sebagai dye dalam sistem Dye Sensitized
Solar Cell. Untuk memperoleh dye optimum perlu ditinjau sumber dye antosianin lainnya. Spektrum absorbansi dye buah stroberi memiliki rentang yang lebih sempit yaitu dari 400 nm hingga 600 nm. Kondisi tersebut menjadikan dye buah stroberi hanya mampu menyerap warna pada pita ungu hingga jingga (400 nm – 610 nm). Panjang gelombang optimum dye ini 509 nm dengan serapan spektrum optimum 0.495 a.u. Hasil karakterisasi spektrum
absorbansi dye antosianin lainnya seperti kulit buah ketimus menunjukan rentang spektrum
absorbansinya dari 400 nm hingga 625 nm. Nilai tersebut menunjukan spektrum absorbansi kulit buah ketimus menyerap cahaya unggu hingga merah. Rentang yang lebar memungkinkan foton terserap dengan baik pada panjang gelombang optimum 524 nm dengan nilai 1.105 a.u.
Selanjutnya hasil karakterisasi kulit dan daging dari buah naga. Tampak pola spektrum absorbansi keduanya relatif sama dengan rentang penyerapan yang lebar dari 400 nm hingga 625 nm. Rentang yang lebar tersebut mampu memaksimalkan peyerapan foton sepanjang daerah tampak. Namun serapan yang diterima dye kulit dan daging buah naga tidak terlalu tinggi yaitu 0.533 a.u dan 0.495 a.u. Berdasarkan hasil karakterisasi spektrum absorbansi dye antosianin dye buah buni memiliki nilai serapan optimum dibandingkan dye antosianin lainnya yaitu 1.288. Potensi dye bahan alam dapat ditinjau dari Tabel 3 berikut ini :
Tabel 3. Data Hasil Karakterisasi Spektrum Absorbansi Dye Antosianin
Dye Antosianin Spektrum Absorbansi
Optimum (a.u) λ Optimum (nm) Luas Area
Buah buni 1.284 539 105.158
Buah naga 0.533 532 116.353
Buah stroberi 0.495 509 110.898
Kulit ketimus 1.058 524 133.315
Kulit buah naga 0.687 529 123.617
Hasil karakterisasi spektrum absorbansi dye antosianin menunjukan nilai serapan yang berbeda-beda. Hal tersebut menjadi salah satu faktor yang digunakan sebagai parameter
menentukan keoptimalan dye untuk dijadikan salah satu komponen dalam sistem DSSC.
Selain itu luas area spektrum absorbansi menjadi hal yang penting untuk ditinjau sebelum memilih dye untuk fabrikasi. Berikut ini (Gambar 4) merupakan luas area spektrum absorbansi dye antosianin.
106
Mataram, 10-11 2016 Gambar 4. Luas Area Spektrum Absorbansi Dye Antosianin
Luas area spektrum absorbansi dye antosianin ini diperoleh dari data spektrum
absorbansi yang telah dinormalisasi. Data yang telah dinormalisasi dapat digunakan untuk menentukan luasan dibawah kurva dan membandingkannya. Data yang diperoleh menunjukan ekstrak bahan alam dye antosianin memiliki luasan yang beragam. Ekstrak dye antosianin seperti buah naga memiliki luasan yang relatif lebar yaitu 161.153 a.u sedangkan dye antosianin lainnya seperti kulit ketimus, kulit buah naga, stroberi dan buni memiliki luasan yang relatif lebih rendah yaitu (133.315, 123.617, 110.898 dan 105.158) a.u
Secara umum seluruh dye antosianin (Tabel 3) berpotensi sebagai dye pada sistem
DSSC. Hal tersebut dapat ditinjau dari spektrum absorbansi dan gelombang optimum yang
dihasilkan. Seluruh dye antosianin yang digunakan dalam penelitian ini mampu menyerap
warna hijau secara optimum pada cahaya tampak. Sedangkan luas area serapan yang dihasilkanpun relatif beragam yaitu lebih dari 105 satuan luas. Namun terdapat dye antosianin
yang memiliki nilai serapan dan luas area lebih tinggi yaitu dye buah buni dan dye buah
ketimus. Oleh karena itu keduanya dapat dijadikan sebagai dye dalam dalam fabrikasi DSSC sehingga dapat memaksimalkan kinerja dan efisiensi yang dihasilkan.
KESIMPULAN
Bedasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa seluruh dye antosianin yang digunakan berpotensi sebagai dye dalam fabrikasi sel surya tersensitisasi.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih penulis ucapkan kepada direktorat ristekdikti yang telah mendanai penelitian ini. Laboratorium fisika dasar dan kimia dasar fakultas MIPA, Universitas Matara. Serta kepada semua pihak yang telah mendukung terlaksanannya penelitian ini.
107
Mataram, 10-11 2016
DAFTAR PUSTAKA
[1] Mustikasari D, Supriatna A, Suryana R. 2013. Karakteristik Lapisan TiO2 Metode Spray
dalam Dye-Sensitized Solar Cell.Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika. 6 (1): 105-111
[2] Ekasari V, Gatut Y. 2013. Fabrikasi DSSC dengan Dye Jahe Merah (Zingiber Officianate Linn Var. Rubrum) Variasi Larutan TiO2 Nanopartikel Berfase Anatase dengan Teknik Pelapisan Spin Coating.Jurnal Sains dan Seni POMITS. 2 (1): 15-20
[3] Sunaryo, Subodro R. 2013. Ekstraksi Pewarna Bahan Antosianin Dye-Sensitized Solar Celi. POLITEKNOSAINS. 10 (2): 74-87
[4] Saehana S, Yuliza E, Arifin P, Khairurrijal, Abdullah M. 2013. Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) from Black Rice and its Performance Improvement by Depositing Interconnection Copper (Copper Bridge into the Space between TiO2 Nanoparticles. Marterials Science Forum. 737 : 43-53
[5] Yuliza E, Saehana S, Rahman D.Y, Rosi M, Khairurrijal, Abdullah M. 2013. Enhancement Perpormance of Dye-Sensitized Solar Cell from Black Rice as Dye and Black Ink as Coanter Electrode with Inserting Copper on the Space between TiO2 Particels by Using Electroplating Method. Material Science Forum. 737 : 85-92
[6] Hao S. Wu J,Huang Y, Lin J. 2006. Natural dyes as photosensitizer for dye-sensitized solar cell. Journal Solar Cell an Solar Energy Material. 8: 209-214
[7] Nugrahawati D. 2012. Fabrikasi Dye-Sensitized Solar Cell Menggunakan Mawar Merah (Rosa Damascena Mill) sebagai Pewarna Alami Berbasis Antosianin. Skripsi.Universitas Surakarta.
[8] Smestad, G.P dan Gratzel. M. 1998. Demonstrating Electron Transfer And Nanotechnology. A Natural Dye Sensitized Nanocrytalline Energy Converter. J.Chem Educ: 752-756.
[9] Callister dkk. 2009. Material Science And Enginnering, An Introduction 7e. New York [10] Huda N. 2001. Pemeriksaan kinerja Spektrofotometer UV-Vis. GBC 911A
108
Mataram, 10-11 2016