KARAKTERISITIK PASTA TiO
2UNTUK APLIKASI DYE SENSITIZED
SOLAR CELL (DSSC) FLEKSIBEL
SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari
Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains
Program Studi Fisika
Oleh
Mariya Al Qibtiya
0909052
PROGRAM STUDI FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
KARAKTERISITIK PASTA TiO
2
UNTUK
APLIKASI
DYE SENSITIZED SOLAR CELL
(DSSC) FLEKSIBEL
Oleh Mariya Al Qibtiya
Sebuah skripsi yang ditujukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
© Mariya Al Qibtiya 2013 Universitas Pendidikan Indonesia
Agustus 2013
Hak Cipta dilindungi undang-undang.
Skripsi ini tidak boleh diperbanyak seluruhnya atau sebagian, dengan dicetak ulang,
MARIYA AL QIBTIYA
PREPARASI PASTA TiO2 TEMPERATUR RENDAH UNTUK APLIKASI DYE
SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) FLEKSIBEL
DISETUJUI DAN DISAHKAN OLEH PEMBIMBING:
Pembimbing I
Lia Muliani,S.T.,M.T NIP. 197103251000032005
Pembimbing II
Dr. Andi Suhandi, S.Pd.,M.Si. NIP. 196908171994031003
Mengetahui
Ketua Jurusan Pendidikan Fisika
KARAKTERISTIK PASTA TiO
2UNTUK APLIKASI DYE
SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) FLEKSIBEL
Mariya Al Qibtiya1*, Lia Muliani2, Andi Suhandi1 1
Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI)
Bandung, Indonesia. 2
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI Jl. Sangkuriang Komp.LIPI Gd.20 Bandung
*e-mail: mariya.al@student.upi.edu
ABSTRAK
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) fleksibel merupakan DSSC yang menggunakan
plastik konduktif sebagai substrat. Penelitian ini mengkarakterisasi pasta TiO2 untuk aplikasinya pada DSSC fleksibel. Preparasi pasta dilakukan menggunakan bahan komersial yaitu pasta T-Nanooxide D-L (Solaronix) serbuk pasta DSL 18NR-AO (Dyesol) 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 konduktif (ITO-PET) 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 fleksibel 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 fleksibel yang dihasilkan. Karakteristik I-V yang terbaik dihasilkan oleh DSSC fleksibel campuran pasta Solaronix dan bubuk TiO2 reflektor menghasilkan arus hubungan pendek (Isc) 0,3 mA , tegangan rangkaian terbuka (Voc) 0,570 Vdan efisiensi mencapai 0.166%.
ABSTRACT
Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) flexible use conductive plastic as the substrate. Preparation paste using the commercial material T-Nanooxide paste DL (Solaronix) powder pasta DSL 18NR-AO (Dyesol) and paste WER2-O powder (Dyesol) as the reflector material. The crystal structure of the material analyzed. Characterization results of X-Ray Diffraction (XRD) showed that the material used is TiO2 nanocrystal powders with anatase crystalline structure.
The addition of TiO2 reflector as light scattering layer on the paste is done to see the effect on the characteristics of the resulting solar cell. Pasta is deposited on the surface of a conductive plastic (ITO-PET) with a doctor blade method. Sintering process of TiO2 layer 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 the pasta scattering TiO2 particles larger size can be observed. TiO2 layer formed as applied to the flexible DSSC fotoelektroda. Staining with a solution of N-719 (Ruthenium Complex), a layer of platinum working electrode and an electrolyte solution of iodine. I-V characteristic curve with a cell size of 1 cm2 active area was measured using a sun simulator AM1,5 with a 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 flexible solar cells are produced. IV characteristics of the best produced by the flexible DSSC Solaronix pasta mixture and powdered TiO2 reflector produces short-circuit current (Isc) 0.3 mA, open circuit voltage (Voc) 0.570 V and the efficiency reached 0166%.
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
UCAPAN TERIMA KASIH ... iii
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR LAMPIRAN ... xi
BAB I PENDAHULUAN A.Latar Belakang ... 1
B. Rumusan Masalah ... 5
C.Tujuan Penelitian ... 5
D.Manfaat Penelitian ... 5
E. Struktur Organisasi Skripsi ... 6
BAB II KAJIAN PUSTAKA A. Energi Matahari ... 7
B. Sel Surya ... 9
C. DSSC ... 12
D. DSSC Fleksibel ... 14
E. Material DSSC ... 15
F. Perlakuan pada DSSC ... 19
G.Fabrikasi DSSC ... 21
H.karakteristik pada DSSC ... 22
BAB III METODE PENELITIAN
A.Metode Penelitian ... 29
B. Waktu dan Tempat Penelitian Skripsi ... 29
C.Desain Penelitian ... 29
D.Alat dan Bahan ... 30
E. Preparasi Komponen DSSC ... 31
F. Proses Assemby DSSC ... 37
G.Karakterisasi ... 39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karakteristik XRD partikel TiO2 ... 41
B. Karakteristik morfologi lapisan TiO2 ... 43
C. Karakterisasi I-V ... 47
BAB V PENUTUP A. Kesimpulan ... 52
B. Saran ... 52
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Spektrum Radiasi Surya Standard AM1.5 ... 8
Gambar 2.2 Struktur sel surya silikon p-n junction ... 9
Gambar 2.3 Prinsip kerja sel surya silikon... 10
Gambar 2.4 Karakterisasi kurva I-V pada sel surya ... 11
Gambar 2.5 Struktur Dye Sensitized Solar Cell ... 12
Gambar 2.6 Skema prinsip kerja DSSC ... 13
Gambar 2.7 Skema prinsip kerja DSSC scattering layer ... 17
Gambar 2.8 Skema proses sputtering ... 21
Gambar 2.9 Skema dari Dua Struktur Umum sel DSSC (atas) dan modul (bawah) (a) Struktur Sandwich, (b) Struktur Monolithic ... 22
Gambar 3.1 Sistematika desain penelitian ... 30
Gambar 3.2 Alur tahap pembuatan DSSC ... 32
Gambar 3.3 Preparasi bubuk TiO2 (a) dyeSol jenis 18NR-AO, (b) Dyesol reflektor jenis WER2-O ... 33
Gambar 3.4 Pencampuran pasta Sampel C di atas Mortal ... 34
Gambar 3.5 Alur pembuatan pasta TiO2 ... 34
Gambar 3.6 Proses pembuatan pasta TiO2 ... 35
Gambar 3.7 Spektrum UV-Vis dan Struktur senyawa Ruthenium Complex N719 ... 36
Gambar 3.8 Hasil Sputtering counter electrode Pt ... 37
Gambar 3.9 Ilustrasi skema area deposisi pasta TiO2 ... 37
Gambar 3.10 Proses deposisi TiO2 dengan doctor blade ... 38
Gambar 3.11 (a) Proses pewarnaan dengan larutan dye (b) hasil pewarnaan ... 38
Gambar 3.13 Proses pengisian larutan elektrolit dan sel yang sudah ditetesi
larutan elektrolit dan siap diuji ... 39
Gambar 4.1 Pola difraksi TiO2 fase anatase... 41 Gambar 4.2 Hasil SEM deposisi film TiO2,sampel A dan sampel B ... 45
Gambar 4.3 Hasil SEM dari deposisi film TiO2 (a) C (b) sampel D (c) TiO2 reflektor ... 46
Gambar 4.6 Kurva I-V hasil pengukuran DSSC menggunakan sampel A dan
sampel C ... 48
Gambar 4.7 Kurva I-V hasil pengukuran DSSC menggunakan sampel A dan
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Beberapa Hasil Penelitian DSSC dalam Skala Laboratorium ... 24
Tabel 2.2 Beberapa Penelitian DSSC menggunakan semikonduktor selain TiO2 25
Tabel 2.3 Hasil Performa dari Modul DSSC ... 26
Tabel 2.4 Perbandingan Esimasi Harga Produksi DSSC dari Smestad dan
Solaronix ... 26
Tabel 2.5 Perbandingan Estimasi Harga DSSC dengan Teknologi Sel Surya lain 27
Tabel 3.1 Pembagian nama sampel berdasarkan janis TiO2 ... 29 Tabel 4.1 data perhitungan ukuran kristal TiO2 ... 42
Tabel 4.2 Data arus, tegangan, dan konversi daya sampel A, B, C, D ... 47
Tabel 4.3 Karekterisasi IV DSSC fleksibel dengan perbedaan pasta TiO2 sampel A dan C ... 48
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A ... 57
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Perkembangan teknologi dan industri yang pesat akan mendorong
peningkatan kebutuhan energi. Konsumsi energi manusia di dunia mencapai
sekitar 88% bahan bakar fosil (minyak bumi, batu bara, dan gas), 6%
hydroelectriciy, 6% energi nuklir dan biomass (World energy report, 2005).
Sumber energi fosil seperti minyak bumi, batu bara, dan gas adalah sumber energi
yang bersifat terbatas dan memerlukan waktu yang sangat lama untuk
memperbaharuinya sehingga dianggap bersifat unrenewable energy resources,
serta penggunaanya yang dapat menyebabkan polusi lingkungan.
Salah satu upaya yang dilakukan adalah mengoptimalkan pemanfaatan
sumber-sumber energi non-konvensional seperti energi radiasi matahari.
Pemanfaatan energi radiasi matahari pada tahun 2012 masih relatif kecil
dibandingkan dengan sumber-sumber energi berbasis fosil. Pemanfaatan energi
terbarukan hanya 4,4%, batu bara 30,7%, minyak bumi 43,9%, dan gas bumi
21%. Melalui Peraturan Presiden Nomor 05 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi
Nasional (KEN) telah menatapkan targat pemanfaatan energi baru dan terbarukan
(EBT) sebesar 17% dari total Bauran Energi Nasional (BEN) pada tahun 2025.
Target ini akan diperbaharui melalui penatapan Kebijakan Energi Nasional (KEN)
yang telah disiapkan oleh Dewan Energi Nasional (DEN) dengan jumlah target
pemanfaatan EBT ditatapkan sebesar 25% dari jumlah BEN di tahun 2025.
Pemerintah mencanangkan 0,2 sampai 0,3 persen dalam keseluruhan energi
nasional pada tahun 2025 berasal dari tenaga surya atau satara dengan 1.000
Megawatt peak (MWp). Artinya, perlu penambahan 65 Megawatt peak (MWp) per
tahun.(www.ebtke.esdm.com).
Indonesia menerima energi surya yang radiasi energi harian rata-rata per
satuan luas per satuan waktu sebesar kira-kira 4,8 kilowatt/m2. Energi surya adalah salah satu sumber energi terbarukan yang melimpah, bebas polusi, dan
dapat dieksplorasi secara optimal. Indonesia yang terlatak di daerah tropis sangat
2
matahari dapat dikonversi langsung menjadi energi listrik melalui suatu alat
konversi yang disebut Solar Cell (sel surya).
Sel surya adalah piranti untuk mengubah energi matahari menjadi energi
listrik. Energi listrik tersebut diperoleh dari sel surya yang menerima cahaya
langsung dari matahari dan memunculkan efek fotovoltaik. Efek fotovoltaik
pertama kali ditemukan oleh Edmond Becquerel pada tahun 1839. Pada tahun
1912 Einstein menjelaskan secara teori mekanisme fenomena tersebut namun
hanya sebatas eksperimen di laboratorium.
Sel surya yang banyak digunakan sekarang ini adalah sel surya berbasis
teknologi silikon yang merupakan hasil dari perkembangan pesat dari teknologi
semikonduktor elektronik. Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh bahan
silikon, namun mahalnya biaya produksi silikon membuat biaya konsumsinya
lebih mahal daripada sumber energi fosil. Selain itu kekurangan dari solar cell
silikon adalah penggunaan bahan kimia berbahaya pada proses fabrikasinya.
Seiring dengan berkembangnya nanoteknologi, muncul sel surya generasi
terbaru, yaitu DSSC (dye sensitized solar cells). DSSC tidak memerlukan material
yang memiliki kemurnian tinggi sehingga biaya produksinya relatif lebih rendah.
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 yang menarik pada perkembangan
fotovoltaik karena rendahnya harga produksi, macam-macam substrat yang bisa
digunakan, dan ramah lingkungan dalam fabrikasinya. Meskipun sel surya ini
masih memiliki masalah besar dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang terlalu
singkat, sel surya jenis ini akan memberi pengaruh besar dalam beberapa tahun ke
depan mengingat harga dan proses pembuatannya yang sangat murah
(esdm.go.id)
DSSC dengan substrat plastik masih belum bisa mengalahkan efisiensi yang
dihasilkan dari DSSC kaca karena beberapa alasan diantaranya yaitu pasta TiO2 yang digunakan sebagai elektroda kerja. DSSC fleksibel menggunkan pasta untuk
3
TiO2 dan meningkatnya resistivitas elektrik. Untuk proses temperatur rendah, menurunya adhesi film TiO2 dengan substrat dan lemahnya kontak elektrik partikel-partikel TiO2 menjadi kesulitan lain katika menggunakan substrat plastik. Walaupun DSSC fleksibel masih belum bisa mengalahkan efisiensi yang
dihasilkan dari DSSC kaca namun DSSC dengan substrat plastik lebih unggul
dalam penggunaanya karena memiliki katahanan cahaya dan fleksibilitas yang
baik (Hashita C, et.al 2012) serta aplikasi yang lebih luas, suhu proses fabrikasi rendah (<150˚C), dan mudah diproduksi secara massal atau dalam skala industri menggunakan sistem roll to roll (M.Byranvand, A.Kharat, 2010)
Fotoelektroda pada DSSC merupakan lapisan inorganik semikonduktor
berstruktur nano pori dan merupakan komponen kunci dalam proses kinerja sel
surya. Lapisan fotoelektroda memiliki fungsi sebagai pengumpul pewarna, media
transport arus foton dan sebagai membran berpori untuk proses difusi pasangan
redoks (Longo.C dkk, 2003). Ada beberapa persyaratan untuk bahan
fotoelektroda; (1) Untuk memaksimalkan pemanenan cahaya, material
fotoelektroda. Harus memiliki sifat optik yang baik dan luas permukaan yang
cukup tinggi untuk penyerapan dye; (2) Untuk memudahkan injeksi elektron,
tingkat energi dari material fotoelektroda harus sesuai dengan molekul dye yang
tereksitasi; (3) Untuk mengumpulkan elektron secara efisien, bahan fotoelektroda
harus memiliki mobilitas pembawa muatan yang tinggi. (4) Material fotoelektroda
harus mudah disintesis, stabil, murah dan ramah lingkungan (Wien. 2011).
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. Selain TiO2 yang digunakan sebagai fotoelektroda ada material lain yang juga sering dijadikan
4
optik dan listrik sebagai material semikonduktor sangat mempengaruhi
karakteristik sel surya berbasis dye-sensitized.
Banyak penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja DSSC
seperti elektrolit padat, pensitesis baru, katalis baru, dan film transparan dengan
tahanan lebih rendah. Pengendapan lapisan adalah strategi yang sering digunakan
untuk meningkatkan efisiensi yaitu dengan melapisi elektroda kerja dengan dua
bahan yang berbeda potensi pita konduksinya yaitu TiO2 reflektor sebagai lapisan penghambur cahaya dilapisi di atas lapisan fotoelektroda. TiO2 reflektor sebagai penghambur cahaya tampak yang sangat rendah, sehingga sebagian besar cahaya
yang terkena DSSC bertransmisi melalui TiO2 tanpa berinteraksi dengan dye sensitizer. Lapisan hamburan 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, et al. 2011 dan 2006). Menurut teori Mie ( H.C. ven de Hulst.
1957) partikel yang digunakan untuk hamburan cahaya harus memiliki ukuran
besar. Hasil dari simulasi komputer menunjukkan penggunaan partikel TiO2 yang lebih besar sebagai pusat hamburan dicampur dalam kumpulan TiO2 yang mengandung 20-50 nm partikel menyebabkan peningkatan efisiensi DSSC. Oleh
karena itu, dapat meningkatkan light harvesting di lapisan TiO2 dan meningkatkan keseluruhan efisiensi DSSC (J. Ferber, et al. 1998). Oleh karena itu pada
penelitian ini dengan menambahkan TiO2 partikel sebagai light scattering atau penghambur cahaya pada pasta TiO2 untuk apilkasi proses fabrikasi temperatur rendah adalah salah satu cara yang menjanjikan untuk menaikan kinerja dari
DSSC dan karakterisasi dari penambahan TiO2 partikel ini akan dihasilkan dalam aplikasi DSSC fleksibel.
Pada bahan TiO2 komersil seperti Solaronix dan Dyesol terdapat data yang menyatakan bahwa bahan berstruktur kristal anatase namun untuk mengatahui
bagaimana bahan ini bisa bersifat anatase, penelitian ini melakukan pengujian
5
struktur morfologi permukaan film TiO2 yang mesoporous serta pengujian karakterisasi listrik untuk mengatahui unjuk kerja pada aplikasinya untuk DSSC.
B. Rumusan Masalah
1. Bagaimana karakteristik pasta TiO2 yang dipreparasi pada temperatur rendah dari bahan TiO2 Solaronix dan Dyesol
2. Bagaimana pengaruh dari penambahan TiO2 reflektor (TiO2 Dyesol reflektor) pada pasta Solaronix dan Dyesol terhadap unjuk kerja DSSC.
C. Batasan Masalah
Karakterisasi TiO2 yang dilakukan meliputi karakterisasi struktur dan ukuran kristal bubuk TiO2 dengan menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD) dan karakterisasi morfologi distribusi nanopori partikel dari lapisan TiO2 yang dipanaskan pada suhu sinter 120˚C dengan Scanning Elektron Microscopy (SEM).
Sifat listrik dari DSSC dihasilkan dari kurva I-V yang menghasilkan
variabel terukur yaitu tegangan sirkuit terbuka (Voc), arus hubungan pendek (Isc),
tegangan maksimum (Vm), dan arus maksimum (Im). Dari paramater terukur
yang diperoleh didapat hasil unjuk kerja yaitu daya maksimum (Pm), fill factor
(FF), dan efisiensi (�).
D. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini berdarsarkan rumusan masalah, yaitu memperoleh
gambaran tentang karaterisasi bubuk TiO2 dari produk komersial Solaronix dan Dyesol serta mengidentifikasi pengaruh TiO2 reflektor sebagai penghambur cahaya dalam kandungan TiO2 nanopartikel (pasta Solaronix dan Dyesol) untuk meningkatkan efisiensi DSSC.
E. Manfaat penelitian
Manfaat penelitian ini adalah memberikan informasi tentang bagaimana
6
kerja DSSC fleksibel. Teknologi pembuatan DSSC fleksibel yang dikembangkan
di penelitian ini bisa menjadi acuan untuk penelitian lebih lanjut sehingga
menghasilkan sel surya yang mempunyai efisiensisi lebih baik.
F. Struktur Organisasi Skripsi
Pada penulisan skripsi ini, urutan penulisan dari satiap bab adalah sebagai
berikut:
1. Bab I menjelaskan latar belakang yang menerangkan mengapa penelitian
dilakukan berdasarkan temuan penelitian sebelumnya dan pendekatan untuk
mengatasi masalah tersebut, satelah itu rumusan masalah yang
mengidentifikasi masalah yang akan diteliti, kemudian tujuan dari
penelitian, manfaat penelitian, dan struktur penulisan skripsi.
2. Bab II menjelaskan landasan teoretik dalam menyusun pertanyaan
penelitian dimulai dari teori energi matahari, penjelasan secara umum sel
surya silikon dan kemudian DSSC yang terakhir menjelaskan DSSC
fleksibel serta kedudukan dari penelitian ini berkaitan dengan masalah yang
sedang diteliti.
3. Bab III menjabarkan matode penelitian secara rinci yaitu lokasi penelitian,
desain penelitian, alat-alat penelitian, preparasi DSSC, proses assembly
DSSC, sampai uji karakterisasi hasil.
4. Bab IV membahas hasil penelitian dan memaparkanya. Pengolahan data
dilakukan berdasarkan prosedur penelitian kuantitatif sesuai dengan desain
penelititan. Uji hipotesis dilakukan sebagai bagian dari analisis data yang
didapat dari hasil uji XRD, uji SEM, dan karakterisasi I-V.
5. Bab V menyajikan kesimpulan atau penafsiran dan permaknaan terhadap
hasil analisis temuan penelitian yang menjawab rumusan masalah
penelitian. Saran yang ditulis ditujukan kepada para pengguna hasil
29
BAB III
METODE PENELITIAN
A. Metode Penelitian
Pada penelitian ini metode yang digunakan peneliti adalah metode
eksperimen. Material yang digunakan berupa pasta TiO2 produksi Solaronix, bubuk Dyesol tipe DSL 18NR-AO, bubuk TiO2 Dyesol reflektor tipe WER2-O sebagai lapisan penghambur (scattering layer). Penamaan pasta dapat dilihat pada
Tabel 3.1.
Eksperimen ini termasuk : (1) preparasi pasta sampel B; (2) preparasi pasta
sampel C; (3) preparasi sampel D yang dilakukan dengan metode pencampuran
pelarut; (4) proses assembly DSSC dengan menempelkan elektroda kerja dengan
elektroda lawan dengan plastik sealing. Teknik deposisi elektroda kerja pasta
TiO2 menggunakan metode doctor blade dan lapisan elektroda lawan platina dengan teknik sputtering.
Tabel 3.1 Pembagian nama sampel berdasarkan jenis TiO2 yang digunakan
Nama sampel Pasta
A TiO2 Solaronix B TiO2 Dyesol
C TiO2 Solaronix + Dyesol reflektor D TiO2 Dyesol + Dyesol Reflektor
B. Waktu dan Tempat Penelitian Skripsi
Waktu pelaksanaan : Februari 2013 – Mei 2013
Tempat pelaksanaan : PPET - LIPI
Komplek LIPI Gedung 20
Jalan Sangkuriang Bandung 40135
C. Desain penelitian
30
Gambar 3.1. Sistematika desain penelitian
D. Alat dan Bahan
Pada pembuatan pasta alat dan bahan yang digunakan adalah:
Bahan bahan:
1. TiO2 pasta Solaronix 12151
2. Bubuk TiO2 Dyesol tipe DSL 18NR-AO 3. Bubuk TiO2 Dyesol tipe WER2-O Reflector 4. HCl
5. Triton
6. Ethanol
7. Aquades
Peralatan :
1. Cawan petri
2. Gelas kimia
3. Pipet
studi pustaka :
literatur cetak
internet
proses pembuatan pasta TiO2 dan fabrikasi DSSC
karakterisasi nanokristal TiO2dan
DSSC pengolahan data
31
4. Stiring plate
Adapun alat dan bahan yang diperlukan dalam pembuatan DSSC fleksibel:
Bahan- bahan
1. Isopropanol Analysis (IPA)
2. Ruthenium Complex N719 (Dyesol)
3. Platina
4. Larutan Elektrolit (tipe HSE DyeSol)
5. Pasta TiO2 sampel A, B, C, dan D
Alat- alat
1. Glass rod (batang pengaduk)
2. ITO-PET (Sigma-Aldrich)
3. Plastik sealing
4. Scotch tape
5. Coveyor belt furnace (tungku listrik)
6. Oven
7. Multimeter digital
8. Penjepit klip
9. Alat sputtering
10.Tissu anti debu
11.Pembersih ultrasonik
Peralatan Analisis
1. Alat SEM (Scanning Electron Microscope)
2. Alat pengukur I-V (sun simulator type)
3. XRD
E. Preparasi komponen DSSC
32
Gambar 3.2. Alur tahap pembuatan DSSC 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
33
1. Preparasi Pasta TiO2
Lapisan TiO2 yang dideposisikan merupakan lapisan film tebal sehingga bentuk TiO2 harus dipreparasi dalam bentuk pasta. Pasta TiO2 yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan bahan-bahan yang tersedia adalah jenis pasta
Solaronix, bubuk TiO2 dyeSol jenis 18NR-AO, dan campuran dengan bubuk TiO2 Dyesol reflektor jenis WER2-O.
Oleh karena itu dibuat pasta untuk temperatur rendah yaitu dengan prosedur
sebagai berikut :
a. Preparasi pasta A di siapkan dari bahan Solaronix yang tersedia dalam bentuk
pasta untuk proses fabrikasi temperatur rendah.
b. Pada pembuatan pasta sampel B dengan bubuk TiO2 dyesol 1 g dicampur dengan 5 mL ethanol diaduk menggunakan stiring plate. Tambahkan HCl 1
mL kedalam campuran dan triton sebanyak 0.05 mL sambil tetap diaduk
selama kurang lebih 12 jam kemudian pasta dipanaskan pada 100˚C selama
sekitar 2 jam.
c. Pencampuran pasta C dengan perbandingan 10:1; pasta solaronix 1 g dicampur
dengan 0.1 gram bubuk TiO2 Dyesol Reflektor kemudian diaduk di dalam mortal dengan ditambahkan 0.1 mL ethanol
Gambar 3.3. Preparasi bubuk TiO2 (a) dyeSol jenis 18NR-AO, (b) Dyesol reflektor jenis WER2-O.
34
Gambar 3.4. Pencampuran pasta sampel C di atas Mortal
d. Pencampuran Pasta sampel D dibuat dengan perbandingan 10:1 TiO2 Dyesol 0.5 g dicampur dengan TiO2 Reflektor 0.05 g diaduk dengan pelarut ethanol 3 mL di atas stiring plate, kemudian ditambahkan HCl sebanyak 1 mL dan triton
0.05 mL kedalam campuran yang sedang di aduk, biarkan adukan selama
kurang lebih 12 jam. Setelah itu pasta dipanaskan pada 100˚C sambil terus
diaduk selama sekitar 2 jam.
Gambar 3.5. Alur pembuatan pasta TiO2 Bubuk TiO2 + ethanol
Pasta TiO2 cair HCl
Diaduk selama 1 jam
Diaduk selama 12 jam
Triton
Pasta TiO2 Diaduk sambil dipanaskan
35
Gambar 3.6. Proses pembuatan pasta TiO2
a. Serbuk TiO2 b. Penambahan pelarut
c. Pemanasan d. diaduk di atas
stiring plate
36
2. 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.
Pewarna N719 sejauh ini adalah salah satu sensitizer yang paling efisien
dalam Sel Surya Dye. (Dyesol catalog, 2010).
Gambar 3.7. (a) Spektrum UV-Vis dan (b) Struktur senyawa Ruthenium
Complex N719 (Dyesol Catalog, 2010)
3. Preparasi elektroda lawan 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.
37
Gambar 3.8. Hasil Sputtering elektroda lawan Pt
F. Proses Assembly DSSC
Setelah masing-masing komponen disiapkan kemudian dilakukan assembly
untuk membuat sel surya, dengan langkah langkah berikut :
1. 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 dengan ilustrasi
sebagai berikut :
Gambar 3.9. Ilustrasi skema area deposisi pasta TiO2
2. Pasta TiO2 dideposisikan di atas daerah yang telah dibuat pada plastik konduktif dengan metode doctor blade printing yaitu dengan bantuan
batang pengaduk untuk meratakan pasta. Kemudian TiO2 yang sudah di dideposisi dan dikeringkan dengan suhu ruang kurang lebih selama 5
menit.
2 cm
2 cm 1 cm
38
Gambar 3.10. Proses deposisi TiO2 dengan doctor blade
3. Sampel dipanaskan (sintering) di tungku listrik dengan suhu 120o C selama 4 jam.
4. Lapisan yang sudah dipanaskan kemudian direndam dengan larutan dye
selama 24 jam. TiO2 yang sudah diberi dye akan berwarna merah keungu-unguan.
Gambar 3.11. (a) Proses pewarnaan dengan larutan dye, (b) Hasil pewarnaan (a)
39
5. Counter elektroda platina kemudian diletakan di atas lapisan TiO2 dengan struktur sandwich dimana pada masing-masing ujung disisakan sebesar 0,2
cm untuk kontak elektrik. Kemudian agar struktur selnya rekat stabil dilem
dengan plastik sealing dan dibantu kaca prepalat agar lebih erat dan dijepit
dengan klip pada kedua sisi kemudian dipanaskan di oven selama 5 menit
dengan suhu 100o C.
Gambar 3.12. Sel setelah assambling
6. Larutan elektrolit kemudian diteteskan kira-kira sebanyak 2 tetes kepada
ruang antara kedua elektroda dan sel surya siap untuk dikarakterisasi.
Gambar 3.13. (a) Proses pengisian larutan elektrolit, (b) sel yang sudah
ditetesi larutan elektrolit dan siap diuji
G. Karakterisasi
Karakterisasi pada DSSC yang telah dibuat dilakukan pengujian tehadap
karakteristik nc-TiO2 dan setelah itu menguji adanya arus dan tegangan 1. Pengujian kristalin TiO2
40
Struktur kristal TiO2 dianalisa dengan X-Ray Diffractometer menggunakan Philips Analytical X-Ray pada rentang sudut 2� 10o – 90o. Persamaan Scheerer digunakan untuk menghitung ukuran kristal dari TiO2 (Han et al.2003; Abdullah. 2009).
�
=
� ������(3.1)
Dengan D adalah ukuran kristal, k adalah konstanta yang bernilai 0,89, �
adalah panjang gelombang Bragg, � adalah nilai FWHM (Full-Width Half
Maksimum), dan � adalah sudut Bragg.
XRD dilakukan untuk mengetahui struktur kristal TiO2 dan besarnya ukuran kristalit yang selanjutnya akan dibandingkan dengan besar partikel TiO2. Pengujian XRD dilakukan di Laboraturium XRD Program Studi Teknik
Metalurgi, ITB.
2. Karakterisasi morfologi lapisan TiO2
SEM (Scaning Electron Microscopy) digunakan untuk menganalisis struktur
morfologi dari sampel TiO2. Pengujian SEM dilakukan menggunakan JEOL JSM 6510LA yang dioperasikan pada tegangan 15 kV di gedung Basic
Science A ITB.
3. Sifat listrik DSSC
Karakteristik kurva I-V dilakukan untuk melihat sifat listrik DSSC yang
telah dibuat. Pengujian yang dilakukan yaitu pengujian menggunakan Sun
Simulator Oriel AM 1,5 dengan intensitas cahaya 50 mW cm-2. Arus hubungan pendek (Isc), tegangan rangkaian terbuka (Voc), daya maksimum
52
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa
1. Hasil karakterisasi XRD terhadap ketiga bahan TiO2 yang membuktikan bahwa pasta ini mempunyai fase anatase ukuran kristalit.
2. Karakterisasi morfologi lapisan TiO2 menyatakan distribusi partikel sampel B lebih banyak pori dibanding sampel A, setelah dicampur dengan TiO2 reflektor ukuran partikel besar terlihat jelas.
3. Hasil karakterisasi I-V DSSC yang telah dibuat dari pasta solaronix
menghasilkan efisiensi sebesar 0,037% sedangkan DSSC yang dibuat dengan
pasta dyesol menghasilkan efisiensi yang lebih besar yaitu 0,095%. Setelah
penambahan dengan TiO2 reflektor hasil efisiensi menjadi kebalikanya. Pasta TiO2 solaronix + TiO2 reflektor menghasilkan efisiensi yang lebih baik sebesar 0,166% dan pasta Dyesol +TiO2 reflektor sebesar 0,135%. Hal ini membuktikan bahwa dengan penambahan dari TiO2 reflektor tipe WER2-O sebagai penghalang dapat menaikan efisiensi DSSC fleksibel.
B. Saran
Adapun saran dalam penelitian ini adalah perlu karakteristik untuk
mengetahui sifat optik dari lapisan TiO2 yang mampu mengindikasikan jumlah foton yang diserap oleh partikel TiO2 yang dapat menunjukan lebar pita energi dari TiO2.
53
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah. M, (2009). Pengantar Nanosains. Penerbit ITB: Bandung
C. Silvia, E. C. Mauricio and M. Hernán. (2010). “Photon Management in Dye
Sensitized Solar Cells”. Solar Energy. Tidak dicantumkan, 432.
Chuen-Shii Chou, Ming-Geng Guo, Kuan-Hung Liu, Yi-Siang Chen. (2012).
“Preparation of TiO2 Particles and Their Application in the Light Scattering Layer of Dye-Sensitized Solar Cell”. Journal Applied Energy. 92, 224-233.
David Martineau. (2012). “The Assembly Guide for Making Your Own Solar
Nanopartikel Berfase Anatase dengan Teknik Pelapisan Spin Coating”.
Jurnal Sains dan Seni Pomits, 2, (1), 2337-3520.
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.
Handini. W. (2008). Perfoma Sel Surya DSSC. Skripsi sarjana pada FT UI
Jakarta: tidak diterbitkan.
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.
Hsiou-Hsuan Wang, Chaochin Su, Chung-Ying Wu, Hon-Bin Tsai, Chung-yen Li,
Wen-Ren Li. (2012). “Preparation of Composite Light-Scattering Layer for
Dye-Sensitized Solar Cells”. Journal Thin Solid Films. 529, 15-18.
http://www.chem-is-try.org/artikel kimia/kimia material/fotokatalis pada
54
http://www.esdm.go.id/berita/artikel/56-artikel/4034-solar-cell-sumber-energiterbarukan-masa-depan-.html. diakses pada 12 Juni 2013.
J. Ferber, J. Luther. (1998). “Computer Simulation Of Light Scattering And
Absorption In Dye-Sensitized Solar Cells”. Solar Energy Material Solar
Cells. 54, (1-4), 265-275.
J. Halme. (2002). “Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells
: technical review and preeliminary test”. Master Thesis of Helsinki University of Technology.
K.Takechi, R.Muszynski and P.V.Kamat. (2007). “Fabrication procedure of dye
-sensitized solar cells”. (tidak dicantumkan).
Kalyanasundaram, K., Grätzel, M. (1998). “Applications of functionalized
transition metal complexes in photonic and optoelectronic devices”.
Coordination Chemistry Reviews, 177, 347-414.
L. Muliani, T.M.S. Soegandi, Y. Taryana. (2009). “Pengaruh Ketebalan
nanocrystalline Titanium Dioksida (nc-TiO2) terhadap Karakterisitik I-V
Dye Sel Surya”. Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi, 9, (2), 33-37.
L. Retnaningsih, L. Muliani, G. Wiranto. (2013). “Characterization of Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC) which used TiO2 Scattering Layer”. Jurnal
Elektronika dan Telekomunikasi.
M. Byranvand., A.Kharat, (2010),” Fabrication and Investigation of Flexible dye
sensitized nanocrystalline solar cell utilizing natural sensitizer operated with
gold coated counter electrode” .DigestJournal of Nanomaterial and Biostructures, 5, (3), 645-650.
M. Gratzel. (2003). “Dye-sensitized solar cell” Journal of Photochemistry and Photobiology C,4, 145.
M. H. Habibi, N. Talebian, J. H. Choi, (2007). “The effect of annealing on
photocatalytic properties of nanostructured titanium dioxide thin films”. Dye and Pigments, 73, 103 – 110.
M. Hamadanian, H. Sayahi, A. R. Zolfagharici. (2012). “Effect of Large TiO2
Nanoparticles to Improve the Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cell”.
55
M. M. Hasan, A. S. M. A. Haseeb, R. Saidur, and H. H. Majuki, (2007). “Effect of annealing treatment on optical properties of anatase TiO2 thin films”, ppp
Fund Project, No: Ps 051/B.
Nam-Gyu Park. (2010). “ Methodes to Improve Light Harvesting Efficiency in
Dye-Sensitized Solar Cells”. Journal of Electrochemical Science and
Technology. 1, (2), 69-74.
Nasori, Gatut. Y, Endarko, A. Rubiyanto. (2012). “ Pengembangan dan Fabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Berbasis Jahe Merah dengan Metode
Deposisi Spin Coating dan Doctor Blade”. Seminar Nasional Quantum
2012, Pendidikan Fisika UAD, tidak dicantumka, 110-113.
Quan. V. A. (2006). “Degradation of the solar cell dye sensitizer N719 Preliminary building of dye-sensitized solar cell”. Master thesis Department
of Life Sciences and Chemistry Roskilde University: tidak diterbitkan.
R. Sastrawan. (2006). “Photovoltaic modules of dye solar cells”. Disertasi University of Freiburg.
Rusdiana,D. (2007). “Pembuatan film tipis semikonduktor dengan teknik PVD”.
[Online].Tersedia:
http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/196810151994
031DADI_RUSDIANA/Pembuatan_film_tipis_Semikonduktor_dengan_tek
nik_PVD_%5BCompatibility_Mode%5D.pdf
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.
S. Wilman, F. Dimas, A. Mega. (2007). “Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell)”. Laporan
akhir penelitian bidang energi penghargaan pt. Rekayasa industri.
Sastrohamidjojo. H. ( 1991).”Spektroskopi”. Yogyakarta.: Liberty
SOLARONIX Catalog. (2012). ” Specialty Chemicals & Components Dye Solar
Cells & Modules Solar Testing Equipment Industry Supply &
Consultation”.[Online].Tersedia:
56
Subodro. R, Ramelan. A. H. (2012). “Sintesis Titanium Dioxide (TiO2) untuk Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC)”. Politekniksains Edisi Khusus Dies Natalis,
tidak dicantumkan.
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.
U. Opara Krasovec, M. Berginc, M.Hocevar, M. Topi. (2009). “Unique TiO2 paste for high efficiency dye-sensitized solar cells”. Solar Energy Material
& Solar Cells, 93, 379-381.
Usami, A. (1997). “Theoretical study of application of multiple scattering of light
to a dyesensitized nanocrystalline photoelectrochemical cell”. Chemical
Physics Letters. 277, (1-3), 105-108.
Wei Zhang (2011). “Fabrication of Dye Sensitized Solar Cells with Enhanced Energy Conversion Efficiency”. Thesis of M.Sci, National University of
Singapore.
World energy report, (2005). RWE Group, http:/www.rwe.com
Z. Wang, H. Kawauchi, T. Kashima, H. Arakawa, Coord. (2004). “Significant influence of TiO2 photoelectrode morphology on the energy conversion efficiency of N719 dye-sensitized solar cell”. Chem. Rev, 248, 1381-1389.
Zang. H, Banfield. J.F. (2000). “Understanding Polymorphic Phase
Transformation Behavior during Growth of Nanocrystalline Aggrerates:
