i
PENYISIPAN LOGAM Cu PADA TiO2 SEBAGAI ELEKTRODA KERJA
DALAM KINERJA SEL SURYA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)
TESIS
Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika
Oleh
Wilfrida Mayasti Obina S911508015
PASCASARJANA
UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
v
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur dipanjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat, rahmat dan perlindungan-NYA, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang berjudul “Penyisipan Logam Cu Pada TiO2 Sebagai Elektroda Kerja Dalam Kinerja
Sel Surya Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)”. Tujuan penyusunan tesis yaitu memenuhi sebagian persyaratan guna memperoleh gelar Magister pada Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Ucapan ‘Terima Kasih” diucapkan dalam kesempatan ini karena tanpa bantuan dari berbagai pihak, tesis ini tidak dapat terwujud. Diantaranya:
1. Bapak Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd, selaku Direktur Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Bapak Prof. Drs. Cari, M.A., M.Sc., Ph.D, selaku Kepala Program Studi S2 Ilmu Fisika dan selaku pembimbing II yang selalu sabar membimbing, memotivasi, memberi semangat dan meluangkan waktu mengajari penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.
3. Bapak Dr. Agus Supriyanto, M.Si selaku pembimbing I yang selalu sabar membimbing, memotivasi, memberi semangat dan meluangkan waktu mengajari penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.
4. Bapak/Ibu Dosen Program Studi S2 Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan pendidikan dan pengajaran dalam Ilmu Fisika.
5. Hibah penelitian pascasarjana yang telah mendanai penelitian melalui program hibah pascasarjana Universitas Sebelas Maret (PPS-UNS) dengan nomor kontrak 623/UN27.21/PP/2017
vi
7. Rekan-rekan Magister Ilmu Fisika angkatan 2015 yang memberikan semangat, saling membantu satu sama lain dan yang telah membantu dengan caranya masing-masing sejak dari perkuliahan hingga selesainya penulisan tesis ini.
8. Teman-teman Laboratorium Fisika Material Universitas sebelas Maret, teman-teman tim riset Prof. Cari dan Pak Agus khususnya buat mbak Asih, mas Yuda, Azizah, mas Fadli, mas Bayu dan sahabat-sahabat semuanya, terimakasih atas saran dan bantuan serta dukungan dari kalian semua.
9. Teman-teman seperantauan Nathalia, Osri, Mba Asih, Beta, Yuli, Mba Novita, Mba Linda dan Fernin yang selalu menemani, memberikan masukan dan membantu dalam penelitian hingga menyelesaikan tesis ini.
10. Teman-teman kos kusumasari khususnya nona Lita, de Savitri Primastuti, de Tias, de Nurul juga teman-teman yang tak dapat saya sebutkan satu persatu yang selalu menemani, menyemangati dan membantu dengan caranya masing-masing hingga terselesaikannya tesis ini.
11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu penulis dalam proses penyusunan tesis ini.
Penulis menyadari bahwa dalam tesis ini masih terdapat kekurangan dan kesalahan, hal ini dikarenakan kemampuan penulis yang sangat terbatas. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun sebagai acuan tahapan penulisan selanjutnya. Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Amin.
Surakarta, Maret 2018
vii HALAMAN PERSEMBAHAN dan MOTTO
Karya tulis berupa Tesis ini saya Persembahkan kepada:
Bapak Paskalis, Mama Ermina dan Oma Din tersayang
Adik Yohanes (Alm.), Rian, Reni, Riski tersayang
yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan secara penuh.
”Iman tanpa perbuatan kasih adalah mati”
Apa yang di-Imani hendaknya diamalkan dalam kehidupan
sehari-hari bagi sesama manusia
“Mintalah, maka akan diberikan kepadamu; carilah, maka kamu akan mendapat; ketoklah, maka pintu akan dibukakan bagimu.
Karena setiap orang yang meminta, menerima dan setiap orang yang mencari, mendapat dan setiap orang yang mengetok, baginya pintu dibukakan”
(Mat, 7:7-8)
viii
Penyisipan Logam Cu Pada TiO2 Sebagai Elektroda Kerja Dalam Kinerja Sel
Surya Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Wilfrida Mayasti Obina
Program Studi Ilmu Fisika, Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
ABSTRAK
Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah perangkat sel surya yang mampu mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik dengan memanfaatkan pewarna alami dalam menyerap foton. Komponen DSSC terdiri dari dye, elektroda kerja, elektrolit dan elektroda lawan yang dideposisikan pada substrat konduktif. Elektroda kerja dalam penelitian ini yaitu Titanium dioksida (TiO2) yang disisipi logam Cu dan direndam dalam
dye. Tujuan dari penelitian yaitu memperoleh informasi kinerja DSSC dari elektroda kerja dalam penyisipan logam Cu pada TiO2 melalui pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 dan metode elektroplating. Nanokomposit merupakan proses pencampuran bahan atau material berbeda yang berukuran nano. Metode elektroplating merupakan metode pelapisan logam dengan bantuan arus listrik pada benda padat yang konduktif. Variasi yang dilakukan dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 yaitu variasi perbandingan massa TiO2 dan logam Cu serta dilakukan variasi waktu elektroplating logam Cu pada TiO2. Pewarna alami yang digunakan yaitu ekstrak daun Moringa oleifera. Elektrode kerja berupa logam Cu yang disisipkan pada TiO2. Elektrolit yang digunakan yaitu NAI dan elektroda lawan yaitu Pt.
Tujuan dari penelitian dapat diperoleh dari hasil karakterisasi berupa spektrum absorbansi, konduktivitas, SEM, XRD dan arus-tegangan (I-V). Hasil yang diperoleh dari karakterisasi spektrum absorbansi yang memiliki absorbansi tertinggi pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 yaitu perbandingan 8:3 (TiO2:Cu) dan melalui metode elektroplating yaitu pada waktu penyisipan 25 s. Hasil uji konduktivitas yang memiliki konduktivitas tertinggi pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 yaitu perbandingan 8:3 sebesar 5,14 Ω−1𝑚−1. Hasil XRD menunjukkan bahwa terdapat penyisipan logam Cu pada TiO2 melalui kedua metode dengan munculnya fase rutil dan pola difraksi Cu. Hasil karakterisasi I-V diperoleh efisiensi tertinggi pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 yaitu perbandingan 8:3 (TiO2:Cu) sebesar0,048% dan melalui metode elektroplating yaitu pada waktu penyisipan 25 s sebesar 0,090%.
ix
Copper Insertion On TiO2 As Photoelectrode In Solar Cell Performance of
Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)
Wilfrida Mayasti Obina
Physics Department, Graduate Program, Sebelas Maret University, Surakarta.
ABSTRACT
Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) is a solar cell device capable of converting solar energy into electrical energy by utilizing natural dyes in absorbing photons. Components of the DSSC are dye, photoelectrode, electrolyte and counter electrode deposition on a conductive substrate. Photoelectrode in this research is Titanium dioxide (TiO2) which inserted copper and soaked in dye. The purpose of research is to obtain DSSC performance from photoelectrode in the insertion of copper on TiO2 by making Cu/TiO2 nanocomposite and the electroplating method. The nanocomposite is the process of mixing different materials or materials that are nano-sized. Electroplating method is a method of metal coating with the help of electric current in the conductive solid object. Variations in the manufacture of Cu/TiO2 nanocomposite are the variation of the mass ratio of TiO2 : copper and variations of electroplating method are electroplating time of copper on TiO2. Natural dyes used are Moringa oleifera leaf extract. The photoelectrode is copper inserted on TiO2. The electrolyte used is NAI and the counter electrode is Pt.
The purpose of the research can be obtained from the results of the characterization of absorbance spectrum, conductivity, SEM, XRD and voltage-current (I-V). The results obtained from the absorbance characterization which has the highest absorbance on the manufacture of Cu/TiO2 nanocomposite is the ratio of 8: 3 (TiO2: Cu) and through the electroplating method is at insertion time 25 s. The result of conductivity characterization which has the highest conductivity in making Cu/TiO2 nanocomposite is the ratio of 8: 3 equal to 5.14 Ω−1𝑚−1. The XRD results show that there is the insertion of copper on TiO2 through both methods with the appearance of rutile phase and copper diffraction pattern. The result of I-V characterization obtained the highest efficiency in making Cu/TiO2 nanocomposite that is the ratio of 8: 3 (TiO2: Cu) equal to 0,048% and by electroplating method that is at time of insertion 25 s equal to 0,090%.
x
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
PENGESAHAN PEMBIMBING TESIS ... ii
PENGESAHAN PENGUJI TESIS ... iii
PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI ... iv
KATA PENGANTAR ... v
HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO ... vii
ABSTRAK ... viii
c. Material Penyusun DSSC ... 12
1) Substrat ... 12
2) Elektroda kerja ... 12
xi
b) Logam tembaga ... 13
3) Elektrolit ... 14
4) Elektroda lawan ... 15
5) Pewarna alami (dye) sebagai sensitizer ... 15
d. Performa dari DSSC ... 18
4. Nanokomposit dan Metode Elektroplating ... 19
5. Karakteristik Absorbansi ... 20
6. Konduktivitas listrik ... 22
B. Penelitian yang Relevan ... ... 23
C. Kerangka Berpikir ... ... ….24
D. Hipotesis ... 25
BAB III METODE PENELITIAN A.Tempat dan Waktu Penelitian ... 27
B.Alat dan Bahan ... ... 27
C.Tatalaksana Penelitian ... 28
1. Persiapan alat dan bahan penelitian ... ... 29
2. Pembuatan elektroda kerja berupa peyisipan Cu dalam TiO2 melalui pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 30
a. Ekstrak dye ... ... 30
b. Pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... ... 31
c. Variasi lapisan nanokomposit Cu/TiO2 ... ... 32
d. Variasi perbandingan massa TiO2 dengan Cu dalam pebuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... ... 32
1. Pembuatan elektroda kerja berupa penyisipan Cu dalam lapisan TiO2 melalui metode elektroplating dengan variasi waktu penyisipan... .. 33
a. Pembuatan pasta TiO2 dan lapisan TiO2... ... 33
b. Metode elektroplating ... ... 34
4. Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) ... 34
5. Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) ... 35
6. Pembuatan Elektrolit ... 35
7. Deposisi Elektroda Lawan... 35
xii
9. Pengujian Karakteristik I-V DSSC ... 36 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. Penyisipan Cu dalam TiO2 MelaluiPembuatan Nanokomposit Cu/TiO2 pada Variasi Perbandingan Massa TiO2 dan Cu ... 38 1. Spektrum absorbansi dari dye Moringa oleifera, Cu, TiO2 dan
nanokomposit Cu/TiO2 dengan variasi perbandingan massa TiO2 dan
Cu ... 38 a. Spektrum absorbansi dari dye Moringa oleifera ... 38 b. Spektrum absorbansi dari Cu, TiO2, nanokomposit Cu/TiO2
dan Cu/TiO2/Dye... ... 40 c. Spektrum absorbansi dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu
dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 42 2. Nilai konduktivitas dari dyeMoringa oleifera, Cu, TiO2 dan
nanokomposit Cu/TiO2 dengan variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu.. .. 43 a. Nilai konduktivitas dari dyeMoringa oleifera, Cu, TiO2 dan
nanokomposit Cu/TiO2 ...…... 43 b. Nilai konduktivitas dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu
dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... ... 46 3. Karakterisasi X-Ray diffraction (XRD) dari variasi perbandingan massa
TiO2 dan massa Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2...47 4. Karakterisasi SEM untuk morfologi permukaan nanokomposit Cu/TiO2... . 49 5. Karakterisasi arus-tegangan (I-V) DSSC pada variasi lapisan
nanokomposit Cu/TiO2 dan variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu ... 51 a. Karakterisisai arus-tegangan (I-V) DSSC pada variasi lapisan
nanokomposit Cu/TiO2…...…... 51 b. Karakterisisai arus-tegangan (I-V) DSSC pada variasi perbandingan
massa TiO2 dan Cu ...54 B. Penyisipan Cu dalam TiO2 Melalui Metode Elektroplating... .... 55
1. Spektrum absorbansi dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO2
melalui metode elektroplating ... 55 2. Karakterisasi XRD dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO2
xiii
3. Morfologi permukaan Cu dalam TiO2 melalui metode elektroplating... 57 4. Karakterisasi I-V DSSC dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO2
melalui metode elektroplating ... 59 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ... 62 B. Saran ... 63 DAFTAR PUSTAKA ... 64
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Spektrum Cahaya Tampak ... 7 Tabel 4.1. Konduktivitas TiO2, Cu, nanokomposit Cu/TiO2 dan dye ... 44 Tabel 4.2 Nilai konduktivitas dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu
dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 46 Tabel 4.3. Ukuran partikel dari variasi massa TiO2 : Cu dalam pembuatan
nanokomposit Cu/TiO2 ... 49 Tabel 4.4. Parameter kisi pada variasi massa TiO2 : Cu dalam pembuatan
nanokomposit Cu/TiO2 ... 49 Tabel 4.5. Karakterisasi I-V DSSC dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 52 Tabel 4.6. Karakterisasi I-V DSSC dari variasi perbandingan massa TiO2
dan Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 54 Tabel 4.7. Data kristolografi dari penyisipan Cu dalam TiO2 melalui
metode elektroplating pada waktu penyisipan 25 s ... 57 Tabel 4.8. Karakterisasi I-V DSSC dari variasi waktu penyisipan Cu dalam TiO2
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Spektrum radiasi matahari ... 6
Gambar 2.2. Prinsip kerja DSSC ... 9
Gambar 2.3. Waktu transfer elektron ... 10
Gambar 2.4. Level energi pada TiO2 nanopartikel DSSC ... 11
Gambar 2.5. Penyusunan komponen dalam DSSC ... 12
Gambar 2.6. Struktur kimia dari klorofil ... 16
Gambar 2.7. Spektrum absorbansi klorofil a dan klorofil b ... 17
Gambar 2.8. Daun Moringa oleifera ... 17
Gambar 2.9. Grafik hubungan arus tegangan (I-V) oleh DSSC ... 18
Gambar 2.10. Proses penyisipan logam Cu pada TiO2 melalui metode elektroplating ... 19
Gambar 2.11. Skema atenuasi berkas cahaya ... 20
Gambar 3.1. Diagram alir penelitian ... 29
Gambar 3.2 Skema pengujian konduktivitas ... 30
Gambar 3.3. Area deposisi sampel pada kaca FTO ... 33
Gambar 3.4. Struktur sandwich DSSC ... 36
Gambar 4.1. Kurva absorbansi Moringa oleifera ... 38
Gambar 4.2. Spektrum absorbansi Cu, TiO2, dan nanokomposit Cu/TiO2 ... 40
Gambar 4.3. Kurva spektrum absorbansi dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu ... 42
Gambar 4.4. Kurva uji konduktivitas dari TiO2 dan nanokomposit Cu/TiO2 pada keadaan gelap dan keadaan terang ... 44
Gambar 4.5. Kurva uji konduktivitas dari dye dan Cu pada keadaan gelap dan keadaan terang ... 45
Gambar 4.6. Konduktivitas dari variasi perbandingan massa TiO2 dan Cu dalam pembuatan nanokoposit Cu/TiO2 ... 46
Gambar 4.7. Kurva XRD dari variasi massa TiO2 : Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 48
Gambar 4.8. Morfologi nanokomposit Cu/TiO2 pada pembesaran (a) 50.000x dengan skala 0,5 𝜇𝑚 dan (b) 80.000x dengan skala 0,2 𝜇𝑚 ... 50
xvi
Gambar 4.10 Kurva karakterisasi I-V DSSC dari TiO2 dan TiO2 yang direndam dalam dye Moringa oleifera ... 51 Gambar 4.11 Kurva karakteristik I-V DSSC dari nanokomposit Cu/TiO2 ... 51 Gambar 4.12 Karakterisasi I-V DSSC dari variasi perbandingan massa TiO2
dan Cu dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 ... 54 Gambar 4.13 Kurva spektrum absorbansi dari TiO2 dan penyisipan Cu dalam
TiO2 menggunakan metode elektroplating pada variasi penyisipan 25 s, 50 s dan 75 s ... 55 Gambar 4.14 Kurva XRD dari penyisipan Cu dalam TiO2 melalui metode
elektroplating pada variasi penyisipan 25 s ... 57 Gambar 4.15 Morfologi penyisipan Cu dalam TiO2 melalui metode
elektroplating pada pembesaran: (a) 20.000x dan (b) 50.000x ... 58 Gambar 4.16 Karakterisasi I-V DSSC dari variasi waktu penyisipan Cu
xvii µl : koefisien atenuasi linier µm : koefisien atenuasi massa I1 : intensitas cahaya
transmisi
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data dan Perhitungan Konduktivitas Keadaan Terang
Nanokomposit Cu/TiO2 Dengan Perbandingan 8:3 (TiO2:Cu) ... 68 Lampiran 2. Data dan Perhitungan Konduktivitas Keadaan Gelap
Nanokomposit Cu/TiO2 Dengan Perbandingan 8:3 (TiO2:Cu) ... 69 Lampiran 3. Database ICDD untuk logam Cu ... 70 Lampiran 4. Kurva pengujian XRD pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 dengan
perbandingan TiO2 dan Cu adalah 10 : 1 ... 71 Lampiran 5. Daftar puncak dan sudut yang terbentuk pada pengujian XRD
dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 dengan perbandingan TiO2 dan Cu adalah 10 :1 ... 72 Lampiran 6. Kurva pengujian XRD pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO2
dengan perbandingan TiO2 dan Cu adalah 8 : 3 ... 73 Lampiran 7. Daftar puncak dan sudut yang terbentuk pada pengujian XRD
dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 dengan perbandingan TiO2 dan Cu adalah 8 : 3 ... 74 Lampiran 8. Kurva pengujian XRD pada pembuatan nanokomposit Cu/TiO2
dengan perbandingan TiO2 dan Cu adalah 6 : 5 ... 75 Lampiran 9. Daftar puncak dan sudut yang terbentuk pada pengujian XRD
dalam pembuatan nanokomposit Cu/TiO2 dengan perbandingan TiO2 dan Cu adalah 6 :5 ... 76 Lampiran 10 Kurva pengujian XRD pada penyisipan Cu melalui metode
elektriplating dengan waktu penyisipan 25 s ... 77 Lampiran 11 Daftar puncak dan sudut yang terbentuk pada pengujian XRD
dalam penyisipan Cu melalui metode elektriplating dengan
waktu penyisipan 25 s ... 78 Lampiran 12 Data dan perhitungan kinerja (𝜂) DSSC dari nanokomposit
Cu/TiO2 dengan perbandingan 8 : 3 ... 79 Lampiran 13 Data dan perhitungan kinerja (𝜂) DSSC dari variasi waktu 25 s
