1
Pembuatan Prototipe Dari Dye Sentized Solar Cell (DSSC) Yang
Menggunakan Antosianin Daun Miana/Iler ( Coleus Scutellariodes L.Benth )
Dan Mawar Merah ( Rosa Damascena Mill )
Muhammad Tamlicha, Dahlang Tahir, Paulus Lobo G
Department of Physics, Hasanuddin University, Makassar 90245, Indonesia
*Email : muhtamlika@gmail.com
SARI BACAAN
Bahan bakar fosil merupakan bahan utama penghasil energi di dunia saat ini dan merupakan bahan bakar yang persediaanya terus menipis. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan perangkat yang dapat digunakan untuk mengubah cahaya matahari menjadi energi listirk. Energi matahari merupakan salah satu bentuk energi terbarukan yang memiliki potensi untuk digunakan di Indonesia. Pada penelitian ini digunakan menggunakan daun miana/iler ( Coleus scutellariodes L.Benth ) dan mawar merah ( Rosa Damascena Mill ) yang digunakan sebagai bahan dasar dye. DSSC ini terdiri atas subtrat kaca yang dilapisi ITO, lapisan TiO2, lapisan dye, elektrolit,dan substrat kaca pembanding. Pada bahan yang digunakan dilakukan karakterisasi XRD, FTIR, dan UV-Vis untuk mengetahui struktur bahan, dan daya serap cahaya. Pengujian dilakukan dibawah sinar matahari langsung dengan cara merangkai DSSC. Hasil pengukuran kombinasi gelas, TiO2, dan mawar merah pada X-RD menunjukkan bahwa intensitas puncaknya pada sudut 2 adalah 100,530 º, dan 279 º. Hasil pengukuran FTIR menunjukkan pada rentang panjang gelombang 759,95 cm-1 terdapat senyawa alkena dengan ikatan kimia CH , pada daerah gelombang 1201,85 cm-1 terdapat senyawa eter dengan ikatan kimia CO. Hasil pengukuran UV-Vis menunjukkan pada panjang gelombang 260,34 nm dengan penyerapan 6.700 nm. Hasil percobaan menunjukkan bahwa efisiensi DSSC menggunakan daun mika sebagai pewarna adalah ɳ= 0.093 x 107 % dan penggunaan mawar merah sebagai pewarna adalah ɳ= 1.784 x 107
%.
2 1. Pendahuluan
Energi merupakan komponen yang tidak terlepas dari kehidupan manusia, disisi lain setiap tahunnya kebutuhan energi terus meningkat seiring dengan perkembangan peradaban manusia [4]. Penggunaan energi di seluruh dunia saat ini didominasi oleh bahan bakar fosil berupa batu bara, gas alam, dan minyak bumi yang terus menipis [1].
Penggunaan bahan bakar fosil yang terus meningkat, maka di diperlukan alternatif pergeseran penggunaan bahan bakar fosil menuju penggunaan sumber energi terbarukan seperti cahaya matahari, energi angin, energi air, dan lain sebaginya [2]. Sel surya merupakan alternatif yang paling berpotensi untuk di kembangkan, hal ini dikarenakan oleh jumlah energi matahari yang sampai ke bumi sangat besar sekitar 700 Megawatt setiap menitnya [3].
Penelitian karakter dasar dye yang lebih murah, lebih efisien, dan lebih baik, seperti yang dilakukan oleh Dewi Nugraha pada tahun 2012 menggunakan bunga mawar sebagai dye menghasilkan bahwa semakin lama perendaman dilakukan maka semakin baik nilai absorbsi yang di dapatkan. K.Z Taqwa dan Bambang pada tahun 2015 menggunakan ekstrak kulit buah manggis, buah naga, dan daun bayam sebagai dye diperoleh hasil bahwa performa sel surya berkurang seiring dengan meningkatnya suhu permukaan.
Dye sensitized solar cell (DSSC) ditemukan oleh Professor M.Gratzel pada 1991, merupakan salah satu solusi yang menjanjikan dalam memanen energi matahari. DSSC menggunakan molekul penyerap dalam bentuk semikonduktor nanocrytalline oxide seperti TiO2 untuk menangkap energi matahari [6]. DSSC berbeda dari semikonduktor konvensional berdasarkan fungsi antara komponen penangkap cahaya matahari dan pembawa muatan. Absrobsi pada dye sensitizer menangkap cahaya yang menimpanya lalu energi cahaya memicu trjadinya reaksi eksitasi pada elektron [8].
II. Prinsip Keja DSSC
Sebagai sistem yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik, DSSC memiliki
3 dan klorofil sebagai fotosensitizer sel surya. Prinsip kerja dari DSSC ditunjukkan pada gambar
II.1 yaitu [5]:
Gambar II.1 Struktur DSSC
Di bawah energi sinar matahari, foton akan menembus kaca konduktif Indium Tin Oxide (ITO) menuju molekul zat warna yang dipasang di permukaan partikel TiO2. Eksitasi foton pewarna akan menyebabkan injeksi elektron ke pita konduksi lapisan TiO2. Elektron ini akan bergerk pada loop eksternal melalui beban yang disediakan. Sementara itu, molekul pewarna yang kehilangan elektron akan dipulihkan dengan sumbangan elektron dari elektrolit redoks (mengandung iodida / triiodida), yang dalam percobaan ini, campuran Kalium Iodida (KI) dan Yodium (I2). Proses ini terjadi sangat cepat sehingga terhindar dari proses rekombinasi elektron. Di bawah sinar matahari, tegangan dihasilkan melalui beda potensial antara tingkat Fermi lapisan TiO2 dan redoks elektrolit [8].
III. Metodologi Penelitian
Menyiapkan Dye Alami Sebagai Sensitizer Pada DSSC
Membersihkan Kedua bahan dye dengan aquades lalu mengeringkan di udara terbuka selama 8 hari kemudian di oven pada suhu 40oC selama 1 jam. Memblender bahan dye yang telah kering hingga menjadi bubuk. Mengkarakterisasi bubuk dye menggunakan XRD dan FTIR.
4 Memasukkan masing-masing 2.5 gram bubuk daun miana/iler dan bunga mawar merah ke dalam gelas kimia dan merendamnya pada larutan organik dengan perbandingan 5 : 1 : 4 (15ml ethanol, 32 tetes asam citrat, dan 12ml aquades) menggunakan magnetic stirer dengan suhu 40oC selama 30 menit. Menutupi larutan dengan aluminium foil dan menyimpannya di tempat yang gelap selama 24 jam. Kemudian menyaring larutan menggunakan kertas saring untuk memisahkan ampas dari bubuk dan menghasilkan larutan dye. Hasil dari ektraksi ini yang digunakan pada DSSC.
Pembuatan Elektrolit
Mencampur 0.8 gram Pottasium Iodide (KI) ke dalam 10ml Polyethylene Glycol (PEG) dan mengaduknya kemudian menambahkan 0.127gr Iodine (I2) yang telah digerus dengan mortar hingga menjadi bubuk. Selanjutnya menstirer larutan selama 10 menit.
Pembuatan DSSC menggunakan metode Spin Coating
Menentukan sisi konduktif kaca ITO dengan menggunakan multimeter. Menentukan luasan tempat pendeposisian pasta TiO2 dengan bantuan scotch tape dengan ukuran 2,1x2,1 cm. Meneteskan pasta TiO2 sampai seluruh permukaan kaca ITO tertutupi oleh pasta dan diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik dengan metode Spin Coating, mengulangi sampai tiga kali pelapisan. Selanjutnya meletakkan kaca ITO yang telah terlapisi TiO2 di udara terbuka, kemudian setelah kering mensintering kaca pada suhu 400oC selama 10 menit. Setelah proses pemanasan, TiO2 di dinginkan pada suhu ruangan selama 15 menit. Setelah itu, Merendam hasil deposisi TiO2 yang telah di buat sebelumnya dalam larutan ekstraksi dye selama 48 jam.. Meneteskan elektrolit diatas working electroda yaitu kaca ITO yang telah dilapisi TiO2 dan di rendam pada dye hingga seluruh permukaan working elektroda tertutupi larutan elektrolit. Kemudian meletakkan counter electroda yaitu kaca ITO yang dilapisi grafit pensil diatas working elektroda, dan menjepit kedua sisinya dengan paper clip untuk menyatukan dua elektroda.
5 IV. Hasil Dan Pembahasan
IV.1 Karakterisasi menggunakan XRD
Gambar IV.1 (a) merupakan hasil karakterisasi kaca ITO yang sudah terdeposisi dengan pasta TiO2, dari gambar IV.1 (a) dapat diketahui bahwa TiO2 telah menempel dengan baik dan berikatan dengan lapisan konduktif kaca ITO. Peak yang terlihat pada gambar IV.1 (a) menunjukkan bahwa pada daerah 2θ tersebut terdapat lapisan TiO2.
Gambar IV.1 Spektrum XRD untuk substrat TiO2 & tanpa dye (a) dengan dye daun miana (b) dan dengan dye bunga mawar merah (c)
Pada gambar IV.1 (b) dan (c) dapat di ketahui dengan jelas bahwa partikel-partikel dye telah menempel dengan baik pada permukaan TiO2 dan dengan melihat hasil XRD ini maka dianggap bahwa perendaman terhadap kaca yang terdeposisi TiO2 untuk membuat lapisan dye telah berhasil.
Pada table IV.1 ditunjukkan besarnya intensitas kemunculan dari partikel bahan dari bahan dasar yang digunakan pada DSSC ini, pada tabel ini dapat dilihat pada sudut yang 2Theta yang sama terjadi perubahan intesitas penyerapan karena diakibatkan adanya penambahan partikel dye yang melekat pada permukaan TiO2.
6 Tabel IV.1 Intensitas puncak pada uji XRD kaca terdeposisi TiO2 dan dye
No. 2 Theta Glass+ TiO2 Glass +TiO2 + Red Rose Glass+TiO2 + Miana Leaves 1 25.9948 1812 56 1042 2 37.6237 95 100 58 3 38.4764 338 356 220 4 39.2470 81 112 72 5 48.7037 433 530 303 6 54.5413 283 338 189 7 55.7067 262 328 176 8 63.3199 239 279 157
IV.2 Karaktersasi menggunakan FTIR
Pada karakterisasi menggunakan FTIR, digunakan gelombang dengan rentang 500 - 4000 cm-1, sebagaimana di tunjukkan pada gambar IV.1. TiO2 menunjukkan ikatan O-Ti-O pada bilangan gelombang 501.49 cm-1 – 671.23 cm-1, pada bilangan gelombang 1514.21 cm-1 – 1541.12 cm-1 menunjukkan ikatan C=C jenis senyawa cincin aromatik. Pada rentang gelombang 1645.28 cm-1 terdapat senyawa alkena dengan ikatan C=C, pada 2926.01 cm-1 terdapat cincin aromatik dengan ikatan kimia C-H dengan intensitas rendah. Pada bilangan gelombang 3419.79 cm-1 menunjukkan adanya ikatan O-H.
Pada plot selanjutnya adalah plot hasil dari karakterisasi daun miana, dimana pada bilangan gelombang 779.24 cm-1 terdapat ikatan C-H yang merupakan cincin aromatic, pada bilangan gelombang 1051.20 cm-1 teradapat ikatan C-O dengan intensitas yang kuat, kemudian pada bilangan gelombang 1321.24 cm-1 terdapat senyawa Alkena dengan ikatan kimia C-H, pada bilangan gelombang 1641.42 cm-1 terdapat senyawa Alkena dengan ikatan kimia berupa C=C, pada bilangan gelombang 2586.54 cm-1 terdapat senyawa ikatan hidrogen karboksilat dengan ikatan kimia O-H. Kemudian pada bilangan gelombang 2922.16 cm-1 terdapat seenyawa Alkena dengan ikatan kimia C-H, lalu pada panjang gelombang 3417.86 cm-1 terdapat ikatan kimia O-H.
Pada plot selajutnya merupakan hasil karakterisasi dari bubuk bunga mawar, yang pada bilangan gelombang 759.95 cm-1 terdapat senyawa Alkena dengan ikatan kimia C-H, pada bilangan gelombang 1201.85 cm-1 terdapat senyawa eter dengan ikatan kimia C-O. Kemudian pada bilangan gelombang 1354.03 cm-1 terdapat senyawa Alkena dengan ikatan kimia C-H, pada
7 bilangan gelombang 1612.49 cm-1 terdapat senyawa Alkena dengan ikatan kimia C=C, pada bilangan gelombang 2920.23 cm-1 terdapat senyawa Alkena dengan ikatan kimia C-H. Kemudian pada bilangan gelombang 3415.93 cm-1 terdapat senyawa fenol dengan ikatan kimia O-H.
Gambar IV.1 Hasil karakterisasi bahan dasar ( TiO2, daun miana, dan bunga mawar) DSSC menggunakan FTIR
Oleh karena itu berdasarkan karakteristik kimianya dapat disimpulkan bahwa unsur-unsur yang akan berikatan dengan TiO2 yang dimiliki oleh serbuk dye telah di konfirmasi dan dapat digunakan sebagai zat pemberi warna dan sesnsitizer bagi DSSC.
IV.3 Karakterisasi menggunakan UV-Vis
Karakterisasi menggunakan Uv-Vis dilakukan untuk mengetahui rentang panjang gelombang yang dapat diserap oleh bahan dye yang nantinya akan digunakan pada DSSC. Pada karaterisasi ini yang akan dikarakterisasi adalah hasil ekstraksi dari dye yang telah menjadi larutan. Pada pengukurannya digunakan panjang gelombang dari 250 nm-800nm.
8 Gambar IV.3 Hasil karakterisasi ekstraksi dye menggunakan UV-Vis
Pada bunga mawar didapati panjang gelombang 260.34 nm dengan absorbsi 6.700 nm a.u, sedangkan pada daun miana diapatkan pada panjang gelombang 312.50 nm dengan nilai absorbsi 3.900 nm. Berdasarkan Hukum Beer nilai absorbsi bahan berbanding lurus dengan konsentrasi bahan, dengan kata lain lain, semakin tinggi konsentrasi suatu bahan, maka nilai absorbsinya akan semakin baik.
Karakterisasi menggunakan Uv-Vis dilakukan untuk mengetahui rentang panjang gelombang yang dapat diserap oleh bahan dye yang nantinya akan digunakan pada DSSC. Pada karaterisasi ini yang akan dikarakterisasi adalah hasil ekstraksi dari dye yang telah menjadi larutan. Pada pengukurannya digunakan panjang gelombang dari 250 nm-800nm. Pada bunga mawar didapati panjang gelombang 260.34 nm dengan absorbs 6.700 nm a.u, sedangkan pada daun miana diapatkan pada panjang gelombang 312.50 nm dengan nilai absorbsi 3.900 nm. Berdasarkan Hukum Beer nilai absorbsi bahan berbanding lurus dengan konsentrasi bahan, dengan kata lain lain, semakin tinggi konsentrasi suatu bahan, maka nilai absorbsinya akan semakin baik.
Pada penelitian ini, nilai absorbs bahan yang didapatkan tidak terlalau baik karena diakibatkan oleh kurangnya konsentrasi dari bahan yang digunakan. Hal ini diakibatkan oleh karena dilakukannya pengenceran pada bahan yaitu pada ekstraksi daun miana dilakukan 30x pengenceran sedangkan pada bunga mawar dilakukan 50x pengenceran.
9 III.4 Hasil Pengujian DSSC
Pengujian DSSC dilakukan di pelataran MIPA Universitas Hasanuddin, menggunakan cahaya matahari sebagai sumber cahaya. Pengujian tegangan dilakukan dengan membuat rangkaian multimeter, resistor, dan sel surya pada papan rangkaian. Seperti gambar rangkaian pada gambar IV.1 yang telah di perlihatkan sebelumnya. Pada pengukuran ini dilakukan pengamatan
perubahan nilai tegangan menggunakan multimeter pada setiap variasi resistor yang digunakan. Hasil pengukuran ini di tunjukkan pada table IV.2:
Tabel 3.2 The measurement results of DSSC
Dye i (mW/cm2) V (mV) I (mA) P (mW/cm2) ɳ % Miana/Iler Leaves 5.53 x 107 1.3 x 106 1.59 0.515 0.093 x 107 Red Rose 5.53 x 107 1.8 x 106 2.2 9.87 1.784 x 107
Pada pengukuran ini, multimeter hanya dapat mengukur besar tegangan yang dihasilkan oleh DSSC, sedangkan untuk pengukuran arus listrik multimeter tidak dapat menampilkan hasil pengukuran karena diakibatkan oleh arus yang dihasilkan oleh DSSC sangat kecil. Skala terkecil yang ada pada multimeter yang kami gunakan disini adalah skala mA sedangkan yang dihasilkan oleh DSSC ada pada kisaran μA. Jadi untuk mendapatkan nilai arus, maka kami menggunakan pendekatan Hukum Ohm, yaitu :
I = (3.1)
Dimana : I = Arus (A) V = Tegangan (V) R = Hambatan Ω)
Setelah melakukan penghitungan arus menggunakan pendekatan hukum Ohm maka dapat dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai Pm yang merupakan daya maksimum yang dihasilkan oleh DSSC. Setelah mendapatkan nilai Pm maka dapat dilakukan perhitungan selanjutnya untuk menghitung efisiensi DSSC. Pada table IV.1 dapat dilihat bahwa Pm yang di hasilkan oleh DSSC dengan daun miana sebagai dye adalah sebesar 0.515 nW/cm2 dan yang menggunakan dye dari bunga mawar adalah sebesar 9.87 nW/cm2 .
10 Untuk mengetahui efisiensi konversi dari DSSC, maka digunakan persaman dibawah ini :
(3.2)
Dimana : = Efisiensi (%) = Daya (Watt/m2
) = Intensitas cahaya
Dengan menggunakan persamaan diatas maka dapat diketahui bahwa nilai efisiensi dari DSSC yang menggunakan daun miana sebagai dye adalah sebesar ɳ= 0.093 x 107 % dan yang menggunakan bunga mawar merah sebagai dye adalah sebesar ɳ= 1.784 x 107
%. Dari hasil perhitungan yang didapatkan maka diketahui bahwa efisiensi dari DSSC yang menggunakan bunga mawar merah sebagai dye lebih baik daripada efisiensi DSSC yang menggunakan daun miana.
III. Kesimpulan
Dari perhitungan diketahui bahwa nilai efisiensi dari DSSC yang menggunakan daun miana sebagai dye adalah sebesar ɳ= 0.093 x 107 % dan yang menggunakan bunga mawar merah sebagai dye adalah sebesar ɳ= 1.784 x 107 %. Diketahui bahwa DSSC yang menghasilkan efisiensi yang lebih baik adalah DSSC yang menggunakan bunga mawar sebagai dye.
11 DAFTAR PUSTAKA
[1] Nugrahawati, Dewi., 2012, ‘Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Mawar Merah (Rosa Damascena Mill) Sebagai Pewarna Alami Berbasi Antosianin’, Skripsi. Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
[2] Taqwa, K,Z., Bambang A, D., 2015, ‘Studi Eksperimental Pengaruh Intensitas Cahaya Terhadap Performa DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) dengan Ekstrak Buah dan Sayur sebagai Dye Sensitizer’, Jurnal Teknik ITS, Vol.4, No.1
[3] R.A, Zamrani., Gontjang Prajitno., 2013,‘Pembuatan Dan Karakterisasi Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Ekstrak Kulit Buah Manggis Sebagai Dye Sensitizer Dengan Metode Doctor Blade’, Jurnal Sains Dan Seni Pomits, Vol.1 ,No.2 [4] Zulkifli A.N.B., Terauchi.K., Matsutake.D., and Akira, F., 2015, ’The Basic Research on the
Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC)’, Journal Of Clean Energy Technologies, Vol.3 ,No.5, hh.382-387
[5] Misbachudin, M.C., Suryasatriya Trihandaru., Aditia Sutresno., 2013,’Pembuatan Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Memanfaatkan Ekstrak Antosianin Strawberry ’, Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains VII, Vol.4, No.1
[6] Jiao,Yang., Fan Zhang., and Sheng Meng., 2011, ‘Dye Sensitized Solar Cells Principle and New Design’, INTECH, Vol.4, No.6, hh 131-148
[7] Dei,Wei., 2010, ‘Dye Sensitized Solar Cells’, International Journal of Molecular Sciences, Vol.11. hh.1103-1113.
[8] Natullah,Rizqon., & Gatut Yudoyono., 2013, ‘Karektarisasi Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Pada TiO2 Fase Anatae dan Rutile’, Jurnal Sains Dan Seni Pomits, Vol.2, No.1
