KARAKTERISTIK PASTA TIO
2SUHU RENDAH DAN APLIKASI
LIGHT SCATTERING LAYER
PADA
DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(DSSC)
M. Al Qibtiya
1), L. Muliani
2), A. Suhandi
1), J. Hidayat
2)1Jurusan pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Pendidikan Indonesia (UPI)
2Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI
Jl. Sangkuriang Komp.LIPI Gd.20 Bandung
mariya.al@student.upi.edu, liamuliani@gmail.com, a_bakrie@yahoo.com
ABSTRAK
KARAKTERISTIK PASTA TIO2 SUHU RENDAH DAN APLIKASI
LIGHT SCATTERING LAYER PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
Tulisan ini menjelaskan aplikasi pasta TiO2 reflektor (atau elektroda kerja
dengan light scattering layer) pada sel surya berbasis dye-sensitized (DSSC). Preparasi pasta dilakukan menggunakan bahan komersial yaitu pasta T-Nanooxide D-L (Solaronix) dan serbuk pasta WER2-O (Dyesiol) sebagai bahan reflektor. Bahan tersebut dianalisis struktur kristalnya. Hasil karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) menunjukan bahwa bahan TiO2 serbuk yang digunakan adalah nanokristal dengan
struktur kristal anatase.
Pembuatan pasta dilakukan melalui pencampuran serbuk pasta menggunakan pelarut ethanol dan larutan HCl tanpa binder. Penambahan TiO2 reflektor sebagai light
scattering layer pada pasta dilakukan untuk melihat pengaruhnya terhadap
karakteristik sel surya yang dihasilkan. Pasta ini dideposisi di atas permukaan plastik dan kaca konduktif (ITO-PET dan FTO) dengan metode doctor blade. Proses sintering lapisan TiO2 dilakukan pada suhu 120˚C selama 4 jam. Lapisan TiO2 yang terbentuk
dianalisis morfologi permukaan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM). Hasil SEM menunjukan bahwa dengan penambahan TiO2 scattering pada pasta ukuran
partikel yang lebih besar dapat teramati.
Lapisan TiO2 yang terbentuk diaplikasikan pada DSSC sebagai fotoelektroda.
Pewarnaan dengan larutan N-719 (Ruthenium Complex), lapisan elektroda kerja Platina dan larutan elektrolit iodine. Karakteristik kurva I-V dengan ukuran sel daerah aktif 1 cm2 diukur menggunakan sun simulator AM1,5 dengan sumber cahaya Xenon dan intensitas 50 mW/cm2. Hasil pengukuran menunjukkan penambahan serbuk TiO2
reflektor (serbuk scattering) dapat meningkatkan unjuk kerja sel surya yang dihasilkan. Karakteristik I-V yang terbaik dihasilkan oleh DSSC campuran pasta Solaronix dan bubuk TiO2 reflektor menghasilkan efisiensi mencapai 0.166% dan pada
substrat kaca mencapai efisiensi 0.167%
Kata kunci : dye sensitized solar cell, Pasta TiO2 suhu rendah, light scattering layer
ABSTRACT
CHARACTERIZATION OF LOW TEMPERATURE TiO2 PASTE AND THEIR
APPLICATIONS IN LIGHT SCATTERING LAYER OF DYE SENSITIZED SOLAR CELL ( DSSC )
This paper describes the application of TiO2 paste reflector ( or working electrode
with a light scattering layer ) in dye - sensitized solar cell ( DSSC ) . Preparation of paste is done using commercial materials T - Nanooxide DL ( Solaronix ) and WER2 - O powder ( Dyesiol ) as a reflector . The crystal structure of the material was analyzed. Characterization of X - Ray Diffraction ( XRD ) showed that the material used is TiO2
nanocrystal powders with anatase crystalline structure. Making pasta is done by mixing the powder paste using ethanol solvent and HCl solution without binders . The addition of TiO2 reflector as light scattering layer on the pasta is done to see its effect on the
characteristics of the resulting solar cell . This paste is deposited on the surface of the plastic and conductive glass ( ITO - PET and FTO ) by the doctor blade method . TiO2 layer sintering process carried out at a temperature of 120 ˚ C for 4 hours . TiO2 layer
formed surface morphology was analyzed using Scanning Electron Microscopy ( SEM ) . SEM results showed that the addition of TiO2 paste scattering at larger particle sizes can
be observed . TiO2 layer formed as fotoelektroda applied in DSSC . Staining with a
solution of N - 719 ( Ruthenium Complex ) , a layer of platinum working electrode and electrolyte solution iodine . Characteristic IV curve with a cell size of 1 cm2 active area was measured using a sun simulator AM1 , 5 with Xenon light source and intensity of 50 mW/cm2 . The measurement results show the addition of TiO2 reflector powder ( powder
scattering ) can improve the performance of solar cells are produced . IV characteristics of DSSC are best produced by a mixture of paste and powder TiO2 Solaronix generate
efficiency reflectors reach 0.166 % on plastics and 0.167% on glass substrate.
Keywords : dye sensitized solar cell , low temperaure TiO2 paste, light scattering layer
Sel surya berbasis dye-sensitized (DSSC) bekerja berdasarkan
photoelectrochemical, dimana proses
absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan proses pemisahan muatan oleh bahan inorganik semikonduktor yaitu TiO2. DSSC ini di pertama kali
diperkenalkan oleh Gratzel pada tahun 1991 yang menjadi alternatif menarik pada perkembangan fotovoltaik karena rendahnya harga produksi, macam-macam substrat yang bisa digunakan, dan ramah lingkungan dalam fabrikasinya. Titanium Dioksida (TiO2)
merupakan semikonduktor yang memiliki bandgap lebar dan umumnya besifat inert, non toxic, murah, dan memiliki karakteristik optik yang baik (M. Gratzel. 2003). TiO2 banyak dibuat
dalam variasi bentuk seperti serbuk nano, koloid, lapisan tipis, untuk aplikasi
llingkungan dari mulai deoderization hingga purifkasi udara dan air. Pada DSSC sifat film TiO2 bergantung dari
teknik preparasi pembuatan pasta karena pasta yang baik akan mempengaruhi unjuk kerja dari DSSC. Pada DSSC fleksibel pasta TiO2 dipreparasi untuk
proses fabrikasi temperatur rendah karena sesuai dengan substrat yang digunakan, sehingga untuk aplikasinya pasta harus menggunakan bahan bahan yang cocok pada temperatur rendah. Pasta TiO2 sudah banyak diproduksi oleh
beberapa pusat penelitian seperti Solaronix dan Dyesol yang khusus meneliti solar sel. Pasta TiO2 untuk
proses fabrikasi temperatur rendah harus dikarakterisasi untuk menghindari retaknya film karena gumpalan partikel yang besar yang diakibatkan dari kehilanganya binders organik (Hashita.
C. W, Fuzhi Huang, Yi-Bing Cheng. 2012). TiO2 nanopartikel yang
digunakan sebagai elektroda kerja pada DSSC adalah penghambur cahaya tampak yang sangat rendah, sehingga sebagian besar cahaya yang terkena DSSC bertransmisi melalui TiO2 tanpa
berinteraksi dengan dye sensitizer.
Scattering layer berbagai struktur, termasuk pusat hamburan dan lapisan atas hamburan, sudah secara efektif digunakan untuk meningkatkan light
harvesting (mengumpulkan cahaya)
yang semua itu untuk meningkatkan efisiensi sel surya (S. Hore, C. Vetter, R. Kern, H. Smit, A. Hinsch, Sol. 2006). Sebagai fotoelektroda TiO2 harus
memiliki sifat optik yang baik dan luas permukaan yang baik untuk penyerapan
dye, tingkat energi material TiO2 harus
sesuai dengan dye yang tereksitasi, memiliki mobilitas pembawa muatan yang tinggi, harus mudah disintesis, stabil, murah, dan ramah lingkungan (Zhang 2011). Karakteristik material TiO2 seperti struktur, morfologi, serta
sifat optik dan listrik sebagai material semikonduktor sangat mempengaruhi karakteristik DSSC
Gambar 1. Skema DSSC dengan lapisan partikel TiO2 dan partikel reflektor
METODE
Preparasi Substrat pasta TiO2
Penamaan sampel pasta TiO2 bisa dilihat
pada Tabel 1.
Alur pembuatan pasta seperti pada Gambar 2.
Tabel 1. Penamaan pasta TiO2
Sampel Pasta
A TiO2 Solaronix
B TiO2 Solaronix + reflector
Gambar 2. Alur tahap pembuatan DSSC
A. Preparasi pasta TiO2
Pasta A sudah tersedia dalam bentuk pasta TiO2 maka preparasi pasta
pada pasta B dilakukan dengan melalui pencampuran serbuk pasta menggunakan pelarut ethanol dan larutan HCl tanpa
binder. Preparasi pasta TiO2
Deposisi TiO2 ke
ITO
Sintering TiO2 pada pada
suhu sinter 120˚C
Absorbsi larutan dye ke lapisan TiO2
Pembuatan struktur sandwich elektroda TiO2
dan counter elektroda
Pengisian elektrolit pada ruang antar 2 elektroda Preparasi larutan
dye
Sputtering counter elektroda Platina
Karaktrisasi Sel surya Preparasi Substrat
Karakterisasi Film TiO2
berhasil tidak
tidak
DSSC ya
B. Larutan dye
Jenis dye yang dipakai adalah jenis ruthenium complex Ruthenizer 535-bisTBA atau yang biasa dikenal N719 memiliki lebar band-gap semikonduktor oksida yang kepekaanya sangat efisien, seperti titanium dioksida, sampai dengan panjang gelombang 750 nm.
C. Preparasi counter elektroda platina Platina yang digunakan sebagai target dimasukan kedalam chamber sputtering yang setelah itu divakum kemudian dimasukan gas argon, ion argon menumbuk platina sehingga target mengeluarkan atom atom yang akan menuju ke substrat ITO-PET konduktif. Chamber sputtering disiapkan dengan sistem sputtering tekanan dasar 4,4 x 10
-3
torr dan tekanan gas argon 4 x 10-3 torr dengan daya 50 watt, waktu sputtering 20 menit.
D. Proses Assembly DSSC
Substrat plastik ITO-PET dipotong dengan ukuran 2 x 2 cm dicuci menggunkan aquades dan isopropanol (IPA) kemudian dibentuk tempat untuk deposisi TiO2 dengan bantuan Scotch
tape pada bagian konduktifnya sehingga
terbentuk area sebesar 1 x 1 cm kemudian pasta TiO2 dideposisikan di
atas daerah yang telah dibuat pada plastik konduktif dengan metode doctor
blade yang kemudian dipanaskan
dengan suhu sinter 120˚C kemudian direndam dengan larutan dye selama 24 jam.
Gambar 3. Proses pewarnaan dengan larutan dye
Counter elektroda platina kemudian diletakan di atas lapisan TiO2 dengan
struktur sandwich dan larutan elektrolit kemudian diteteskan kira-kira sebanyak 2 tetes kepada ruang antara kedua elektroda dan sel surya siap untuk dikarakterisasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Analisis struktur kristal TiO2
Kurva karakteristik XRD ditunjukan pada Gambar 4. yang menunjukan TiO2 memiliki fase kristal
anatase sesuai dengan Joint Commitee
on Powder Diffraction Standards
(JCPDS) no 21-1272.
Gambar 4. Pola XRD pasta TiO2
reflektor dan TiO2 soalronix
Dari Gambar 4. dapat diamati terdapatnya puncak-puncak yang bersesuaian untuk fase anatase pada ketiga sampel, yaitu pada sudut 2θ di sekitar 25˚, 37˚, 48˚, 54˚, 62˚. Puncak-puncak tersebut bersesuaian dengan orientasi kristal pada (101), (104), (200), (105), (204). Puncak tertinggi dimiliki oleh bidang orientasi (101) yang akan diukur besar kristal dari hasil XRD masing-masing sampel. Ukuran kristal dapat dihitung secara kuantitatif menggunakan metode Scheerer melalui persamaan (Han. H, Zan. L, Zhong. J, Zhang. L, Zhao. X. 2004) ( Abdullah. M, 2009).
.
Dengan k adalah konstanta sebesar 0,89; λ adalah panjang gelombang sumber sinar-X; dan β adalah lebar penuh setengah tinggi maksimum puncak difraksi (dalam satuan radian). Nilai β yang digunakan adalah nilai puncak anatase pada orientasi bidang (101) dan didapatkan hasil ukuran kristal yang diperlihatkan pada Tabel 2.
Table 2 Data perhitungan ukuran kristal TiO2
k ( (˚) (rad) 2 D (nm)
0,89 0,76 0,01326 0,974 10,92
0,89 0,16 0,00279 25,295 12,647 0,976 53,14
Dari Tabel diatas dapat diamati ukuran kristal Solaronix lebih kecil dan ukuran paling besar dimiliki oleh TiO2
Reflektor. hal ini merupakan hasil yang positif karena diharapkan dengan ukuran kristal yang semakin kecil menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil pula yang baik untuk diaplikasikan sebagai material DSSC (Timuda. G. E, Maddu. A, Irmansyah, Widiyatmoko. B. 2010). TiO2
yang digunakan cocok untuk diaplikasikan pada DSSC karena mempunyai fasa kristal anatase yang mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi.
2. Karakteristik morfologi lapisan TiO2
Citra SEM dapat dilihat dari Gambar 5. yang merupakan gambar dari deposisi film TiO2 pasta A dan pasta B dapat
diamati bahwa secara umum partikel yang dihasilkan memiliki morfologi
mesoporous (berpori) dan berada pada
ukuran skala nanometer.
Gambar 5. Figure SEM hasil deposisi TiO2
(a) pasta A; (b) pasta B (Retnaningsih. L, Muliani. L,.Wiranto. G. 2013); (c) campuran pasta A dan pasta B
Sampel A jenis Solaronix memiliki ukuran partikel sangat kecil mencapai >100 nm terlihat pada gambar distribusi ini mengakibatkan terjadinya aglomerasi (gumpalan) dan dapat teramati adanya bongkahan-bongkahan besar yang merupakan hasil penggumpalan. Ukuran partikel yang kecil umumnya lebih tidak stabil dibanding partikel yang lebih besar oleh karenanya kemungkinan terjadinya gumpalan satu sama lain juga tinggi, distribusi ukuran partikel tampak tidak seragam pada Gambar 5.(a) yang diakibatkan terjadinya penggumpalan dan juga butiran-butiran kecil yang teramati secara bersamaan. Penambahan TiO2
reflektor sebagai penghambur cahaya dapat dilihat morfologi yang ditunjukan pada gambar 5.(c). Perbedaan fisik sangat terlihat dari butiran sampel B dibandingkan dengan sampel B. Gambar 5. (c) menunjukan ukuran partikel dari campuran sampel A dengan TiO2 reflektor, ukuran partikel
terlihat lebih besar ini membuktikan bahwa TiO2 reflektor merupakan pasta dengan
ukuran partikel yang besar. Hal ini membuktikan bahwa ukuran partikel TiO2
reflektor lebih besar dibanding ukuran partikel sampel A. Dari Gambar 7 yang memperlihatkan keadaan morfologi TiO2
reflektor dengan pembesaran 40000x tampak jelas ukuran partikel yang berukuran besar. Dengan penambahan TiO2 reflektor
mengakibatkan cahaya yang datang ke dyes menjadi terhambur sehingga daya serap dyes semakin banyak.
3. Karakterisasi I-V
Hasil karakterisasi I-V dilakukan untuk mengetahui sifat listrik dari DSSC yang telah siap diuji. Saat cahaya yang membawa energi foton mengenai DSSC, akan ada
(a) (b)
elektron dari dye yang mendesak elektron dari TiO2 tereksitasi dari pita konduksi ke
pita valensi dan menuju elektroda kerja sehingga tercipta arus dalam DSSC, kemudian mengalir diluar rangkaian kemudian diukur tegangan dan arus menggunakan sun simulator.
Gambar 6. Kurva I-V DSSC yang dibuat (a) dengan substrat plastik dan (b) substrat kaca
Kurva I-V menggunakan pasta A pada substrat plastik (gambar 6.a) menunjukan bentuk yang cenderung lurus tidak eksponensial, namun dengan penambahan TiO2 reflektor maka kurva yang dihasilkan
lebih baik dan mengikuti karakterisasi sel surya. Perbedaan konversi efisiensi menggunakan pasta juga ditunjukan pada tabel 3. dengan penambahan TiO2 reflektor
sebagai lapisan penghambur ternyata menaikan arus dan tegangan yang lebih baik, dan otomatis menaikan efisiensi. Dengan menggunakan pasta sampel A didapatkan efisiensi sebesar 0,037% dan dengan
penambahan TiO2 reflektor efisiensi naik
menjadi 0,166%.
Sedangkan kenaikan kurva juga terjadi pada DSSC dengan substrat kaca (gambar 6.b) efisiensi yang dihasilkan pasta A 0.074% dan setelah penambahan TiO2
reflektor naik mencapai 0.167%.
Dengan menggunakan TiO2 Reflektor
sebagai scattering layer yang akan menghamburkan cahaya yang datang ke permukaan dyes hal ini akan mempengaruhi daya serap dari dyes sehingga dyes yang terserap akan lebih banyak menyerap sinar matahari, yang mengakibatkan banyaknya elektron yang akan berdifusi pada TiO2
Tabel 3. Hasil pengukuran I-V
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa hasil karakterisasi XRD terhadap bahan TiO2
yang membuktikan bahwa pasta ini mempunyai fase anatase ukuran kristalit yang cocok untuk apliaksi pada DSSC. Karakterisasi morfologi lapisan TiO2
juga dilakukan dengan Scaning Electron
Microscopy SEM yang menyatakan
keadaan morfologi dari film menyatakan partikel secara umum adalah mesoporos dengan ukuran partikel TiO2 reflektor
yang terbukti besar sebagai lapisan pengambur cahaya. Hasil karakterisasi I-V menghasilkan efisiensi B lebih besar dari pasta A. Setelah penambahan TiO2
ferlektor menjadi kebalikanya hal ini membuktikan bahwa dengan penambahan dari TiO2 reflektor tipe
WER2-O sebagai penghalang cahaya dapat menaikan efisiensi DSSC. Tidak adanya informasi tentang sifat optik dari
Sampel Voc (V) Isc (mA) Pm (W) Fill Factor Efisien si (%) plastic A 0,326 0,17 1,98 x 10 – 5 0,349 0,037 B 0,570 0,3 8,18 x 10 – 5 0,475 0,166 Glass A 0,489 0,13 3,64 x 10 – 5 0,56 0,074 B 0,509 0,3 8,23 x 10 – 5 0,564 0,167 (a) (b)
pasta TiO2 dan untuk megoptimalkan
komposisi campuran pasta TiO2 reflektor
dengan TiO2 nanopartikel menjadi
penelitian yang harus ditelitit lebih lanjut untuk DSSC dengan performa yang lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA
Yulianto, B . (2011). Solar Cell Sumber Energi Terbarukan Masa Depan. diambil dari Artikel ESDM website: http/www.esdm.go.id/berita/artikel/ 56-artikel/4034-solar-cell-sumber-energiterbarukan-masa-depan-.html M. Gratzel. (2003). “Dye-sensitized
solar cell” Journal of Photochemistry and Photobiology C,4, 145.
Hashita. C. W, Fuzhi Huang, Yi-Bing Cheng. (2012). “Fabrication of Flexible Dye Sensitized Solar Cells on Plastic Substrates”. Journal Nano Energy, 2, 174-189.
S. Hore, C. Vetter, R. Kern, H. Smit, A. Hinsch, Sol. (2006). “Influence of scattering layers on efficiency of dye-sensitized solar cells. Solar
Energy Material and Solar Cells,
90, 1176-1188.
Wei Zhang (2011). “Fabrication of Dye Sensitized Solar Cells with Enhanced Energy Conversion Efficiency”. Thesis of M.Sci, National University of Singapore.
Han. H, Zan. L, Zhong. J, Zhang. L, Zhao. X. (2004). “The Preparation of High-Surface-Area Nanocrystalline TiO2 Films Using
Easy-Reggregration Particles in Solution. Material Science and
Engineering B, 110, 227-232.
Abdullah. M, (2009). Pengantar
Nanosains. Penerbit ITB:
Bandung.
Timuda. G. E, Maddu. A, Irmansyah, Widiyatmoko. B. (2010). “Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO2
untuk Aplikasi Sel Surya
Menggunakan Metode
Sonokimia”. Prosiding Pertemuan
Ilmiah, XXIV, 104-109.
Retnaningsih. L, Muliani. L,.Wiranto. G. (2013). “Characterization of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) which used TiO2 Scattering
Layer”. Jurnal Elektronika dan
