SEMINAR
TUGAS AKHIR 2014
Kebutuhan energi dunia 10 terra watt, diperkirakan tahun 2030
mencapai 30 terra watt.
Energi matahari yang sampai ke permukaan bumi mencapai 2,6 x 1024
Joule/tahun Harganya mahal, pembuatan sulit dan
bahan baku dialam terbatas
1991
Dye Sensitized Solar Cell oleh
Grätzel dan O’Regan
Murah dan ramah lingkungan
Ruthenium complex
η= 11,1 %
Harga mahal, sintesis sulit dan tidak ramah
Total Panen Manggis 79.073 ton/tahun
Titanium dioksida TiO
2Anatase
3,2 eV Rutile3 eV Sulit didapatkanBrookite
Anatase Rutile
η
<
η
dicampur (+)
Anatase Rutileatau
Pewarna Fraksi Volume (A:R) η (%) Kulit Manggis 100% : 0% 0,015 75% : 25% 0,037 50% : 50% 0,010 25% : 75% 0,014 0% : 100% 0,011 Rhoeo spathacea 100% : 0% 0,012 75% : 25% 0,013 50% : 50% 0,001 25% : 75% 0,002 0% : 100% 0,005
Tugas
Akhir
OPTIMALISASI FRAKSI VOLUME TiO
2
ANATASE DAN RUTIL TERHADAP EFISIENSI
DSSC (DYE SENSITIZED SOLAR CELL)
Dosen Pembimbing :
1. Dr. Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T.
2. Dyah Sawitri, S.T., M.T.
Oleh :
Bibit Lestari
(2410100058)
Permasalahan
Permasalahan pada
penelitian tugas akhir
ini adalah pada fraksi
volume TiO
2anatase
dan rutil berapa yang
optimal agar dihasilkan
efisiensi
DSSC
maksimal ?
Tujuan
Tujuan dilakukan
tugas akhir ini adalah
untuk
mengetahui
pengaruh
fraksi
volume TiO
2anatase
dan rutile terhadap
efisiensi
yang
dihasilkan DSSC
PERMASALAHAN
& TUJUAN
Pelapisan
TiO
2pada
kaca
TCO
menggunakan metode doctor blade.
TiO
2yang digunakan mempunyai variasi
fraksi volume anatase : rutile yaitu
65%:35%, 70%:30%, 80%:20%, 85%:15%,
90%:10% dan 95%:5%. Pemilihan fraksi ini
berdasarkan pada hasil yang telah diperoleh
pada penelitian sebelumnya (Agustini,
2013).
Kulit manggis dan Rhoeo spathacea
diekstrak menggunakan metode soklet
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Anode :
*D
hv
D
+
→
)
(
2 2 *TiO
e
D
TiO
D
+
→
++
cb− − − ++
→
+
32
3
2
D
I
D
I
Katode
:
− − −+
→
I
katalis
e
I
32
(
)
3
HOMO : Highest Occupied Molecular Orbital LUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbital
D : pewarna D* : pewarna tereksitasi
D+ : pewarna yang sudah melepaskan elektron
I- : iodide I
PERFORMANSI DSSC
FF
I
V
P
MAX=
OC.
SC.
SC OC MPP MPPI
V
I
V
FF
=
.
Cahaya MAXP
P
=
η
ISC diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai nol (arus maksimal). VOC diukur pada saat hambatan luar
dibuat bernilai maksimal (tegangan maksimal). cahaya SC
P
J
IPCE
×
×
=
λ
1240
[%]
JSC = kerapatan arus (µA cm-2)
λ = panjang gelombang (nm) Pcahaya = daya (µW cm-2).
Mulai Persiapan alat
dan bahan
Exstrak Pewarna Sintesis Titanium dioksida
Uji UV-Vis Uji XRD
Uji BET dioksida pada kaca TCOPelapisan Titanium
UJI AFM Perendaman kaca TCO berlapis
Titanium dioksida dalam pewarna A Tidak Tidak Ya Ya
METODOLOGI
PENELITIAN
Perakitan DSSC dengan penambahan elektrolit dan elektrooda lawan
Pengujian DSSC dengan IPCE
Pengujian dan pembahasan performasi DSSC setiap sampel
Kesimpulan
Selesai
EXSTRAKSI PEWARNA DAN
KARAKTERISASI
Alat dan bahan
Soklet
Blender
Magnetic stirrer
Gelas beker
Timbangan
Gelas ukur
Hot plate
Ethanol 96%
Bubuk Manggis
Bubuk daun
Rhoeo spatachea
Kulit manggis dan daun Rhoeo spatachea dikeringkan
dan dihancurkan sampai menjadi bubuk
Diekstrak menggunakan soklet pada suhu 200 oC selama 5 jam,
dengan perbandingan bubuk pewarna :pelarut sebesar 1:5
Pengujin UV-vis untuk melihat absorbansin
SINTESIS DAN
KARAKTERISASI TiO
2
Alat dan Bahan
Magnetic stirrer
Timbangan
Gelas beker
Gelas ukur
Crucible
Spatula
Hot plate
Mortar
TiCl
3(15% wt, Merck)
Hidrochloric Acid fuming (HCL) 37%
Ammonia solution (NH
4OH) 25%
Aquades
10 ml TiCl3 + 4,7 Aquades + 0,3 HCl diaduk pada suhu 45 oC
Ditambah 20 ml HCl
Ditambah 50 ml NH4OH secara terus-menerus sampai bewarna putih (menghasilkan endapan)
Endapan dicuci menggunakan aquades samapi bau amonianya
hilang
Endapan dikalsinasi pada suhu 400 oC selama 5 jam untuk fase
anatase dan1000 oC selama 7
jam untuk fase rutile Pengujian XRD untuk
mengetahui fase yang terbentuk dan ukuran
400 450 500 550 600 650 700 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 658 nm 423 nm 392,5 nm A bs or bans i Panjang Gelombang, λ (nm) Rhoeo spatachea Manggis
ABSORBANSI PEWARNA
Absorbsi kulit manggis berada pada range 400 – 500 nm
ABSORBANSI PEWARNA
CAMPURAN
400 450 500 550 600 650 700 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0Abs
or
ba
ns
i
Panjang Gelombang (nm) 90% Rhoeo 80% Rhoeo 70% Rhoeo 60% Rhoeo 50% Rhoeo 40% Rhoeo 30% Rhoeo 20% Rhoeo 10% RhoeoHASIL XRD TiO
2
20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 R R R R R R R R R R A A A A Int ens itas 2θ (ο) Anatase Rutile( )
FWHM
D
*
cos
89
,
0
θ
λ
=
Persamaan Scherrer
Fase Ukuran partikel Anatase 30 nm Rutile 44,9 nm0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -2 0 2 4 6 8 10
Adsorpsi 90% Anatase, 10% Rutile
Desorpsi 90% Anatase, 10% Rutile
V o lu m e @ S T P ( cc)
Tekanan Relatif, p/po Adsorpsi 70 % Anatase, 30% Rutile Desorpsi 70 % Anatase, 30% Rutile
ADSORPSI DAN DESORPSI SERBUK
TiO
2
AVD
n
S
ρ
=
S
P
R
=
ρ
( −
1
)
)
(
1Vp
Vp
P
+
=
−ρ
S = Luas permukaan partikel (m2/g),
n = Partikel faktor (n=6),
ρ = massa jenis TiO2 (4,23 g/cm3)
Dav = ukuran partikel rata-rata R = Ruoghness factor
P = porositas
Vp = Volume pori (cm3/g)
ρ-1 = Invers dari massa jenis TiO
Fraksi
Volume
(A:R))
Luas
Permukaan
(m
2/g)
Volume
Pori
(cc/g)
Diameter
Pori (nm)
Ukuran
Partikel
BET (nm)
100%:0%*
113,020
0,28
3,38
12,55
90%:10%
155,654
0,27
5,59
9,11
75%:25%**
70,690
0,19
9,74
20,05
70%:30%
126,573
0,22
5,62
11,2
50%:50%**
36,330
0,12
9,51
39,02
25%:75%**
35,380
0,11
3,84
40,09
0%:100%*
93,940
0,14
3,04
15,09
KARAKTERISASI SERBUK TiO
2
POROSITAS DAN ROUGHNESS FACTOR
DARI SERBUK TIO
2PADA SETIAP
FRAKSI VOLUME
Fraksi Volume
(Anatase: Rutile)
Porositas
(%)
Roughness
factor
per µm
100%:0%*
54
219
90%:10%
53
310
75%:25%**
45
163
70%:30%
48
280
50%:50%**
34
102
25%:75%**
32
101
0%:100%*
37
250
TOPOGRAFI PERMUKAAN TIO
2
Topografi
IPCE PEWARNA KULIT MANGGIS
400 450 500 550 600 650 700 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 400 420 440 460 480 500 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 % IP CE Panjang Gelombang (nm) 65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase % IP C E Panjang Gelombang, λ (nm)Semakin besar nilai IPCE, semakin besar foton yang diubah menjadi arus
IPCE PEWARNA RHOEO
SPATACHEA
400 450 500 550 600 650 700 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 400 420 440 460 480 500 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 % IP CE Panjang Gelombang (nm) 65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase % I P C E Panjang Gelombang, λ (nm)KURVA I-V PEWARNA KULIT
MANGGIS
0 100 200 300 400 0 5 10 15 20 25 η= 0,017% η= 0,024% η= 0,033% η= 0,03% η= 0,076% η= 0,035% Ar us (m A ) Tegangan (mV) 65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% AnataseKURVA I-V PEWARNA RHOEO
SPATACHEA
0 100 200 300 400 0 2 4 6 8 10 12 14 16 η=0,027% η=0,01% η=0,035% η=0,009% η=0,063% η=0,035% Ar us (m A ) Tegangan (mV) 65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% AnatasePewarna Volume (A:R)Fraksi (%)FF (mA/cmJsc 2) Voc (mV) η (%) Kulit Manggis 75%:25%* 19 0,08 358 0,037 95%:5% 36 0,054 271 0,035 90%:10% 32 0,104 347 0,076 85%:15% 32 0,06 252 0,033 80%:20% 22 0,03 400 0,017 70%:30% 30 0,038 314 0,024 65%:35% 31 0,064 227 0,03 Rhoeo spatachea 75%:25%* 39 0,019 294 0,013 95%:5% 30 0,056 206 0,035 90%:10% 40 0,057 415 0,063 85%:15% 33 0,054 228 0,035 80%:20% 30 0,028 185 0,01 70%:30% 32 0,043 286 0,027 65%:35% 37 0,021 179 0,009
PENGUJIAN EFISIENSI
PERBANDINGAN DENGAN PENELITIAN
SEBELUMNYA
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 50% 25% 100% 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08*
*
*
*
**
E fi si en si (% ) % Rutile Kulit manggis Rhoeo spatachea** (Rata-rata dari Agustini, 2013 dan eksperimen) * (Agustini, 2013) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 L ua s Pe rm uka an (m 2 /g) % Rutile
PERBANDINGAN PEWARNA
TUNGGAL DENGAN PEWARNA
CAMPURAN
Pewarna
Kulit
manggis
Campuran kulit
manggis dan
Rhoeo spatachea
Rhoeo
spatachea
FF
32
26
40
Jsc
(mA/cm
2)
0,104
0,122
0,057
Voc
(mV)
347
413
415
η %
0,076
0,088
0,063
KESIMPULAN
•
Fraksi volume anatase/rutile yang paling baik digunakan
sebagai dye sensitized solar cell (DSSC) adalah 90%:10%
dengan efisiensi sebesar 0,076% untuk pewarna kulit manggis
dan 0,063% untuk pewarna Rhoeo spatachea.
•
Penambahan rutile yang optimal untuk digunakan sebagai
DSSC adalah 5%-15%.
•
Efisiensi DSSC dengan pewarna kulit manggis lebih tinggi
dibandingakan DSSC dengan pewarna Rhoeo spatachea
•
DSSC dengan menggunakan pewarna campuran kulit manggis
dan Rhoeo spatachea (20%:80%) menghasilkan efisiensi yang
lebih baik yaitu sebesar 0,088% dibandingkan hanya
menggunakan pewarna kulit manggis atau Rhoeo spatachea
saja.
Daftar Pustaka
Agustini, S., 2013.“ Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell Berdasarkan Fraksi Volume TiO2 Anatase-Rutile Dengan Garcinia mangostana Dan Rhoeo spatachea sebagai Dye Fotozensitizer”. Tugas Akhir, ITS
Castro, A.L., Nunes, M.R., Carvalho, A.P., Costa, F.M., Florencio, M. H., 2008. “Synthesis of Anatase TiO2Nanoparticles With High Temperature Stability And Photocatalytic Activity”. Solid State Sciences vol. 10, hal. 602 – 606 Chang, H. dan Lo, Y.J., 2010. “Pomegranate Leaves And Mulberry Fruit as
Natural Sensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Solar Energy vol. 84, hal. 1833 – 1847
Chiba, Y., Islam, A., Watanabe, Y., Komiya, R., Koide, N., dan Han, L.Y., 2006. “Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%”. Jpn. J.
Appl. Phys. 45, L638–L640
Grätzel, M., 2003.” Dye-sensitized solar cells”. Journal of Photochemistry and
SEKIAN &
SKEMA PENGUKURAN IPCE
•
Monokromator (CT-10T,
JASCO)
•
Lampu halogen (GR-150)
•Optical Power Meter
(Thorlab
S-120C).
4 cm 1 cmmonokromator
halogen
DSSC
rangkaian
ekuivalen
multimeter
1
UV-Vis Spektrophotometer
Lampu Sampel Cuvet Monokromator Lensa DetektorBlanko untuk mengoreksi adanya sinar yang dipantulkan oleh kuvet dan sinar yang diserap oleh substituen lain.
b
a
A
=
ε
.
.
A = Absorbansi
ε = Absortivitas (1/ M Cm). Absortivitas merupakan absorban larutan 1 M dalam sel cuvet yang lebarnya1 cm
a = Ketebalan larutan (cm) b = Konsentrasi Larutan (M
PENGUJIAN AFM
Cantilever Permukaan sampel Tip Laser DetektorSaat ada permukaan yang
tidak rata, sudut tip dan
catilever
akan berubah
Akibat adanya perubahan sudut,
maka pantulan laser yang diterima
detektor juga akan berubah
Berkas laser
dicitrakan
menjadi topografi
3
PENGUJIAN BET
Sebelum sampel dimasukkan kedalam mantel pemanas, tabung sel dikondisikan dalam kedaan
vakum
Selanjutnya, gas N2 dialirkan sebagai adsorbat
pada sampel uji.
Dari banyaknya N2 yang diadsorb pada permukaan sampel inilah
yang nantinya dianalisa dan
menghasilkan data luas permukaan, ukuran, volume dan distribusi ukuran pori yang ingin diketahui.
PENGUJIAN XRD
Pemanasan kawat tungsten menghasilkan elektron Elektron ditembakkanpada logam target Dihasilkan sinar-X
Sinar-X dijatuhkan pada sampe kristal, kemudian terjai difraksi Hasil difraksi sinar-X ditangkap detektor dan diolah menjadi grafik
Fabrikasi DSSC
Selotip
Pasta
TiO
2Spatula
TCO
0,5 cm
0,5 cm
6
Cara menghitung Efisiensi
Tegangan Arus Daya
228,4 0 0 207 5 1035 204 5,7 1162,8 189 6,8 1285,2 173 7,2 1245,6 132 8,5 1122 105 9,2 966 71 9,7 688,7 31 11,9 368,9 0 13,6 0
Voc = 228,4 mV Isc = 13,6
Vmpp = 189 Impp = 6,8
Isc
Voc
pp
Vmpp
FF
.
Im
.
=
42
,
0
6
,
13
.
4
,
228
8
,
6
.
189
=
=
FF
FF
I
V
P
MAX=
OC.
SC.
9
10
.
62
,
1304
42
,
0
.
6
,
13
.
4
,
228
=
−
=
MAXP
Cahaya MAXP
P
=
η
0
,
0343
%
00375
,
0
6
^
10
.
30462
,
1
−
=
=
η
7
Masssa ke Jumlah Atom
Ar
Mr
Massa
Mol
/
=
Avogadro
Atom
Mol
=
Avogadro
Atom
Ar
Mr
Massa =
/
Bilangan avogadro = 6,023 10
238
ANATASE
& RUTILE
Rutile Anatase Brookite
Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal Orthorombic
a(Å) 4.5845 3.7842 9.184 b(Å) - - 5.447 c(Å) 2.9533 9.5146 5.145 Massa jenis (g/cm3) 4.2743 3.895 4.123
9
TETRAGONAL & ORTHORHOMBIC
Sel Surya Silikon
Elektron dan hole ini
dapat bergerak dalam
material
sehingga
menghasilkan pasangan
elektron-hole.
Ketika junction disinari, photon
(energi sama atau lebih besar
dari
lebar
pita
energi
semikonduktor) menyebabkan
eksitasi elektron dari pita valensi
ke pita konduksi dan akan
meninggalkan hole pada pita
valensi.
Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka
elektron dari arean akan kembali ke area-p sehingga
menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir.
FTIR
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 20 40 60 80100 Manggis Rhoeo spathacea
87 8, 02 10 43 ,4 9 10 85 ,9 213 26 ,7 0 13 82 ,2 2 16 47 ,4 8 28 98 ,5 7 29 75 ,7 4 33 43 ,2 9 57 7, 58 87 8, 67 10 43 ,7 9 10 86 ,2 7 13 80 ,7 6 16 47 ,6 0 28 91 ,8 7 29 73 ,9 0 Tr an sm ita ns i ( % ) Bilangan gelombang
(
cm-1)
33 34 ,5 2Antosianin
memiliki
spektrum
absorpsi rentang
3200-3400 cm
-112
Anthosianin
Senyawa Penganti
Nama
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7
H OH H OH H OH H
Apigeninidin
OH OH OH OH H OH H
Aurantinidin
OH OH H OH OH OH H
Cyanidin
OH OH H OH OH OH OH
Delphinidin
H OH H OH OH OH H
Luteolin
OH OH H OH H OH H
Pelargonidin
OH H OH OH H OH H
Riccionidin A
H OH H OH OH OH OH
Tricetinidin
13
n
i=0 orbital kosong.
n
i=1 sebagai orbital molekul terisi tunggal atau Single Occupied
Molecular Orbital
(SOMO).
n
i=2 sebagai orbital terisi penuh.
Pada orbital yang terisi penuh, orbital molekul tertinggi yang
terisi disebut sebagai Highest Occupied Molecular Orbital
(HOMO) dan orbital molekul terendah yang tidak terisi disebut
sebagai Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO)
HOMO & LUMO
Hambatan Seri
Hambatan Seri
Rh = Hambatan TCO
R1 = Interface antara elektrolit/Pt-TCO R3= Nernst difusi dengan elektrolit
* Rh
*R1
R dengan Pt = 20,6 Ω
R tanpa Pt = 1806 Ω
Hambatan Seri
*R3
Hambatan Seri
Pita Diagram Campuran Anatase &
Rutile
Pita Valensi Pita Konduksi 3,20 eV 3 eV Rutile AnataseElektron berpindah
dari pita konduksi
rutile
ke pita
konduksi anatase
Rutile digunakan sebagai
pengumpul elektron dan
menghamburan
(scattring) elektron
Porositas
Semakin besar nilai Porositas, semakin besar arus dan
tegangan yang dihasilkan (0,41)
Semikonduktor
JCPDS 21-1272
JCPDS 21-1276
Diagraam fasa
Pengaruh Suhu dan Waktu
Terhadap Komposisi
200oC (5jam) 300oC (5jam) 400oC (4jam)
Fase Anatase Rutile Anatase Rutile Anatase Rutile Komposisi
fase (%) 69.41 30.59 82.60 17.55 94.68 5.32
400 oC (5jam) 1000oC (7jam)
Fase Anatase Rutile Anatase Rutile Komposisi
fase (%) 99,75 0,25 0.68 99.32
Ketika dipanaskan pada suhu dibawah 900 oC ,
fase anatase yang
terbentuk dalam jumlah yang banyak
]
[
]
[
]
[
[%]
−2 −2×
×
×
=
cm
W
P
nm
e
cm
A
J
hc
IPCE
cahaya SCµ
λ
µ
]
[
]
[
610
,
1
]
[
310
6210
,
6
[%]
−19 −34 8 −2−2×
×
×
×
=
cm
W
P
nm
cm
A
J
IPCE
cahaya SCµ
λ
µ
]
[
]
[
]
[
310
)
.
(
410
,
12
[%]
−7 8 −2 −2×
×
×
=
cm
W
P
nm
cm
A
J
m
eV
IPCE
cahaya SCµ
λ
µ
]
[
]
[
]
[
)
.
(
1240
[%]
−2 −2×
×
=
cm
W
P
nm
cm
A
J
nm
eV
IPCE
cahaya SCµ
λ
µ
Dimana h adalah Konstanta Plank (6,62x10-34 Js), c adalah kecepatan
cahaya ( 3x108 m/s) dan e adalah Muatan elektron (1,6 10-19).
Perhitungan 1240
Teknik ini berusaha untuk mendeposisikan TiO2 pada permukaan yang lebih lebar
menggunakan alat yang disebut
electrospinning. Electrospinning terdiri dari jarum suntik yang mengandung bahan yang akan disimpan dan mounting plate yang menjadi target yang akan dilapisi. Target dan jarum suntik yang terhubung ke sumber tegangan yang akan menciptakan electropotential. Perbedaan antara alat suntik dan mounting plate di kisaran 1000 volt. Ketika cairan di dalam jarum suntik secara perlahan dipompa keluar, solusi akan mendorong dengan kecepatan tinggi menuju target karena adanya medan listrik.
ELECTROSPINNING
Teknik terakhir yang menghasilkan hasil yang paling konsisten adalah variasi dari proses deposisi yang telah digunakan sebelumnya. Teknik ini terdiri dari lukisan permukaan substrat konduktif dengan menggunakan sikat udara. Perangkat cold spraying terdiri dari pistol penyemprotan
dengan nozzle yang berfungsi untuk menembakkan TiO2 pada substrat,
yang didorong dengan udara terkompresi sehingga jumlah udara yang datang dari nozzle dapat dikontrol sehingga laju aliran dapat stabil.
Sebuah faktor penting untuk dipertimbangkan adalah rasio dari pelarut (misalnya 2-propanol) dengan TiO2 . Pelarut yang terdapat dalam larutan akan menguap dalam perjalanan menuju target. Oleh karena itu, jumlah pelarut dalam larutan TiO2 harus lebih banyak dibandingkan dengan teknik
Doctor-blade, dalam rangka menghindari gumpalan partikel