FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) BERDASARKAN FRAKSI VOLUME

FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(DSSC) BERDASARKAN FRAKSI VOLUME TiO

₂

ANATASE - RUTILE DENGAN Garcinia

mangostana DAN Rhoeo spathacea SEBAGAI DYE FOTOSENSITIZER

Dosen Pembimbing :

1. Dr. Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T.

2. Dyah Sawitri, S.T., M.T.

Oleh :

Sustia Agustini 2409100047

Penggunaan energi diprediksi

meningkat 70%

dari tahun 2000 hingga 2030

Efisiensi mencapai 24,7%

Tingkat penyinaran matahari di Indonesia mencapai

4500 watt hour

per meter persegi

Grätzel dan O’Regan Material yang

digunakan tak dapat diperbarui,

proses pembuatan cukup sulit, harganya mahal

Mudah, murah & ramah lingkungan

Jenis Pewarna Efisiensi (%)

Buah naga 0,22

Bunga mawar 0,38

Hibiscus surattensis 1,14

Kulit manggis 1,17

Wild sicilian prickly pear 1,19

Rhoeo spathacea 1,49

Buah delima 1,50

Lobak merah 1,70^[9]

Eg~3,23 eV Eg~3,05 eV

•konduktivitas listrik tinggi

•Kemampuan adsobsi dye lebih banyak

•Difusi elektron lebih tinggi

•Fasenya stabil

•Bandgapnya sesuai dengan penyerapan spektrum cahaya matahari

Fase yang sulit

ditemukan _{Eg~3,26 eV} Total panen seluruh daerah di

Indonesia mencapai 79.073 ton

TUGAS AKHIR

ANATASE RUTILE

BROOKITE

PERMASALAHAN & TUJUAN

• Permasalahan yang akan dibahas pada penelitian Tugas Akhir ini adalah tentang bagaimana

pengaruh persentase

fraksi volume

nanopartikel dan nanopori TiO

₂ anatase dan rutile

terhadap efisiensi DSSC?

• Tujuan dilakukannya

penelitian Tugas Akhir ini adalah menganalisa

pengaruh persentase fraksi

volume nanopartikel dan

nanopori TiO

₂

anatase dan

rutile terhadap efisiensi

yang dihasilkan DSSC.

BATASAN MASALAH

Pewarna yang digunakan pada penelitian ini adalah kulit manggis dan daun Rhoeo spathacea yang diekstrak pada

temperatur 60^oC dengan pelarut ethanol.

Pelapisan TiO₂ pada kaca TCO menggunakan metode doctor blade.

Fabrikasi DSSC menggunakan struktur sandwich

TiO₂ yang digunakan mempunyai variasi fraksi volume anatase : rutile yaitu 0%:100%, 25%:75%, 50%:50%,

75%:25% dan 100%:0%.

SKEMA PROSES DSSC

D*

hv D  

)

( ₂

2

* TiO D e TiO

D   ^  _cb^ D

D^* 





  3  2  ₃

2D I D I





  e catalyst  I

I₃ 2 ( ) 3

HOMO : Highest Occupied Molecular Orbital LUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbital

D : pewarna

D* : pewarna tereksitasi

D⁺ : pewarna yang sudah melepaskan elektron

I^- : iodide I₃^- : triiodide

cahaya

I^-/I₃^-

PERFORMANSI DSSC

SC OC

MPP MPP

I V

I FF V .



FF I

V

P_MAX  _OC. _SC.

Cahaya MAX

P

 P



Kurva Arus-Tegangan pada DSSC

DSSC

A

V

I_SC diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai nol  arus maksimal.

V_OC diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai maksimal  tegangan maksimal.

• Quantum Efficiency (QE) adalah besarnya sensitifitas suatu material terhadap cahaya yang mengenai permukaannya sehingga dapat menghasilkan pasangan elektron-hole.

• Incident Photon to Current Conversion Efficiency (IPCE) merupakan parameter untuk menentukan efisiensi konversi cahaya pada DSSC

QE & IPCE

cahaya SC

P IPCE J



 

 [%] 1240

 

 foton N n elektron

QE ,

,



Nh



^c Nh

P   _substitusi

P = daya (Watt/cm²)

N = jumlah foton (N/s cm²)

h = konstanta Plank (6,62x10^-34 Js) c = kecepatan cahaya (3x108 m/s) λ = panjang gelombang (nm) J_SC = kerapatan arus (µA cm^-2) λ = panjang gelombang (nm) P_cahaya = daya (µW cm^-2).

METODOLOGI

PENELITIAN

EKSTRAKSI & KARAKTERISASI DYE

Alat dan Bahan

- Timbangan - Gelas ukur - Spatula

- Gelas beker - Mortar

- Furnace - Hot plate &

magnetic stirrer - Kulit manggis - Daun Rhoeo

Spathacea - Ethanol 96%.

Kulit manggis & daun Rhoeo spathacea dikeringkan (40^oC~10

jam&5jam)

Bahan pewarna yang kering ditumbuk menjadi

bubuk

10 gram bubuk dilarutkan dalam

50 ml ethanol 96% & diaduk (60^oC~30 menit) Larutan disimpan

seminggu di dalam botol kemudian

disaring Pengujian Uv-Vis & FTIR

Spektrum absorbansi &

kandungan antosianin

SINTESIS & KARAKTERISASI TiO ₂

10 ml TiCl₃ + 4,7 ml aquades + 0,3

HCL diaduk

Ditambahkan 20 ml HCL (posisi terus mengaduk)

Ditambahkan NH₄OH hingga terjadi presipitasi

TiO₂

Presipitat (endapan) dipisahkan dengan

NH₄OH & dicuci dengan aquades

Endapan dipanasi untuk menghilangkan kandungan air (80^oC~7-

10 jam

Endapan dikalsinasi pada temperatur 400^oC~5 jam (anatase) & 1000^oC~7 jam

(rutile)

Absorbsi kulit manggis berada pada range 400 – 500 nm^[4]

Absorpsi Rhoeo spathacea berada pada range 410 – 420 nm dan 660 – 670 nm^[5]

400 450 500 550 600 650 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Mangosteen pericarp Rhoeo spathacea

Absorbansi

 (nm)

ABSORBANSI PEWARNA

392 nm

413 nm

665 nm

Spektrum absorbsi antosianin berada pada 3200 – 3400 cm^{-1 [6]}

HASIL UJI FTIR PEWARNA

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

20 40 60 80

100 Mangosteen pericarp

Rhoeo spathacea

878,02

1043,491085,921326,70

1382,22

1647,48

2898,57

2975,74

3343,29 577,58878,67

1043,79

1086,27

1380,76

1647,60

2891,87

2973,90

Transmitansi (%)

Bilangan Gelombang (cm-1)

3334,52

HASIL UJI XRD TiO ₂

20 30 40 50 60

0 300 600 900 1200 1500 1800

A R R

R R

R R R R

R

A

A A A A A

Rutile Anatase

Intensitas

2 (^o) A

PERHITUNGAN KOMPOSISI &

UKURAN KRISTAL

400 ^oC (5 jam) 1000 ^oC (7 jam)

Fase Anatase Rutile Anatase Rutile

Ukuran Kristal (nm) 11,65 54,52

Komposisi 99,75 0,25 2,20 97,80

 

^FWHM

D cos *

* 9 , 0



 

Persamaan Scherrer

100%

50%

FWHM

2θ Intensitas

D

av

S n

 



0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 5 10 15 20 25

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Adsorpsi 75% Anatase, 25% Rutile Desorpsi 75% Anatase, 25% Rutile Adsorpsi 25% Anatase, 75% Rutile Desorpsi 25% Anatase, 75% Rutile

Volume @STP (cc)

Adsorpsi 50% Anatase, 50% Rutile Desorpsi 50% Anatase, 50% Rutile

Tekanan Relatif, p/po Adsorpsi 100% Anatase, 0% Rutile

Desorpsi 100% Anatase, 0% Rutile Adsorpsi 0% Anatase, 100% Rutile Desorpsi 0% Anatase, 100% Rutile

ADSORBSI-

DESORPSI TiO

₂

S = luas permukaan partikel (m²/g), n = partikel faktor (n=6)

ρ = massa jenis TiO₂ (4.23 g/cm³) D_av = ukuran partikel rata-rata (nm)

% Rutile

Fraksi Volume (A%:R%)

Luas Permukaan

(m²/g)

Volume Pori (cc/g)

Diameter Pori (nm)

Ukuran Partikel

(nm)

Ukuran Partikel

(nm) - Scherrer

100 : 0* 113,02 0,28 3,38 40,08 11,65

75 : 25 70,69 0,19 9,74 20,05 -

50 : 50 36,33 0,12 9,51 39,02 -

25 : 75 35,38 0,11 3,84 40,09 -

0 : 100* 93,94 0,14 3,04 15,09 54,52

KARAKTERISTIK TiO

₂

PADA

SETIAP FRAKSI VOLUME

DISTRIBUSI UKURAN PORI TiO

₂

10 100

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050

10 100

0.000 0.005 0.010 0.015

100% Anatase, 0% Rutile*

75% Anatase, 25% Rutile 50% Anatase, 50% Rutile 25% Anatase, 75% Rutile 0% Anatase, 100% Rutile*

Diameter Pori (nm) Volume Pori Diferensial (cc nm-1 g-1 )

Diameter Pori (nm) Volume Pori Diferensial (cc nm-1 g-1 )

Topografi A25%:R75%

D_av = 40,09 nm

TOPOGRAFI PERMUKAAN LAPISAN TiO

₂

Topografi A50%:R50%

D_av = 39,02 nm

Topografi A75%:R25%

D_av = 20,05 nm

Anatase = 11,65 nm Rutile = 54,52 nm (Scherrer)

IPCE PEWARNA KULIT MANGGIS

400 450 500 550 600

0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009

400 450 500 550 600

0.00000 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.00010

100% Anatase 75% Anatase 50% Anatase 25% Anatase 100% Rutile

% IPCE

 (nm)

% IPCE

 (nm)

Semakin tinggi nilai IPCE  semakin banyak foton yang diubah menjadi arus

IPCE PEWARNA Rhoeo spathacea

400 450 500 550 600

0.00000 0.00005 0.00010 0.00015 0.00020 0.00025

400 450 500 550 600

0.00000 0.00001 0.00002 0.00003 0.00004

 (nm)

% IPCE

100% Anatase 75% Anatase 50% Anatase 25% Anatase 100% Rutile

 (nm)

% IPCE

KURVA I-V PEWARNA KULIT MANGGIS

0 50 100 150 200 250 300 350

0 4 8 12 16 20

Arus (A)

Tegangan (mV)

100% Anatase 75% Anatase 50% Anatase 25% Anatase 0% Anatase

KURVA I-V PEWARNA Rhoeo spathacea

0 50 100 150 200 250 300

0 1 2 3 4 5

Tegangan (mV)

Arus (A)

100% Anatase 75% Anatase 50% Anatase 25% Anatase 0% Anatase

PENGUJIAN EFISIENSI

Fraksi Volume

(Anatase : Rutile) Dye FF (%) Jsc

(mA/cm2) Voc (mV) ɳ (%)

100% : 0%

Kulit manggis 0.47 0.0280 198 0.015

Rhoeo spathacea 0.62 0.0144 243 0.013

75% : 25%

Kulit manggis 0.19 0.0804 358 0.037

Rhoeo spathacea 0.39 0.0192 294 0.013

50% : 50%

Kulit manggis 0.32 0.0260 194 0.010

Rhoeo spathacea 0.07 0.0108 179 0.001

25% : 75%

Kulit manggis 0.32 0.0304 236 0.014

Rhoeo spathacea 0.26 0.0104 120 0.002

0% : 100%

Kulit manggis 0.42 0.0204 215 0.011

Rhoeo spathacea 0.23 0.016 222 0.005

Pewarna ^Struktur

TiO₂ FF (%) ^Jsc (mA/cm²)

V_oc (mV)

 (%) Kulit

Manggis¹

A 48,34 0,035 125 0,02

AR 54,62 0,122 204 0,13

R 42,84 0,050 88 0,01

Rhoeo spathacea²

P25+

AuNP’s 27,39 10,9 496 1,49

PERBANDINGAN DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA

Pewarna Fraksi Volume

(A:R) FF (%) J_sc (mA/cm²)

V_oc (mV)

 (%) Kulit Manggis

100% : 0% 47 0,028 198 0,015

75% : 25% 19 0,080 358 0,037

0% : 100% 42 0,020 215 0,011

Rhoeo

spathacea 75% : 25% 39 0,019 294 0,013

• Efisiensi tertinggi dari DSSC baik untuk pewarna kulit manggis maupun Rhoeo spathacea diperoleh pada TiO₂ dengan perbandingan komposisi anatase : rutile sebesar 75%:25%.

• Pada semua perbandingan komposisi anatase : rutile, diperoleh bahwa efisiensi yang dihasilkan oleh DSSC dengan pewarna kulit manggis memiliki performansi lebih baik dibandingkan pewarna Rhoeo spathacea.

• Untuk pewarna kulit manggis diperoleh efisiensi tertinggi sebesar 0,037% dengan J_SC sebesar 0,080 mA. Sedangkan untuk pewarna Rhoeo spathacea diperoleh efisiensi tertinggi sebesar 0,013% dengan J_SC sebesar 0,019 mA.

KESIMPULAN

Ali, R. A. M dan Nayan, N., 2009. “Fabrication And Analysis Of Dye-

Sensitized Solar Cell Using Natural Dye Extracted From Dragon Fruit”.

International Journal of Integrated Engineering (Issue on Electrical and Electronic Engineering) pp. 55 – 62.

Asrori, M.Z., Permana, A., Sukma, D., Darminto., 2010. “Development of Nanocomposite PANi (HCl) – TiO₂ as Anti Corrosion Material”.

Proceeding of 16^th National Seminars of Nuclear Power Plant Facilities, Technology and Safety ISSN: 0854 – 2910, pp. 275-281 Buscaino, R., Baiocchi, C., Barolo, C., Medana, C., Grätzel, M.,

Nazeeruddin, Md.K., Viscardi, G., 2008. “A Mass Spectrometric Analysis of Sensitizer Solution Used for Dye Sensitized Solar Cell”.

Inorg. Chim. Acta 361 (2008) 798–805

Cahaya sebagai Gelombang Elektromagnetik dan Spektrum

Elektromagnetik,<http://www.ittelkom.ac.id/admisi/elearning/prog3.ph p?proses=1&kd=Fis-010802&bab=Gelombang>

Castro, A.L., Nunes, M.R., Carvalho, A.P., Costa, F.M., Florencio, M. H., 2008. “Synthesis of Anatase TiO₂ Nanoparticles With High Temperature Stability And Photocatalytic Activity”. Solid State Sciences vol. 10, pp.

602 – 606

DAFTAR PUSTAKA

TERIMA

KASIH