1
Deskripsi
METODE PEMBUATAN SEL SURYA DENGAN PENYEMPROTAN TiO2
Bidang Teknik Invensi 5
Invensi ini berhubungan dengan metode pembuatan sel surya menggunakan penyemprotan TiO2 (spraying), khususnya
sel surya dengan induksi dye atau dye-sensitized solar
cells (DSSC). Proses penyemprotan TiO2 dilakukan dengan
menggunakan peralatan sederhana tetapi prosesnya relatif
10
cepat dan dapat menghasilkan film TiO2 yang homogen,
kuat, memiliki ukuran partikel dalam orde nanometer, serta dapat diaplikasikan untuk skala besar (industri).
Latar Belakang Invensi 15
Material TiO2 banyak digunakan dalam sel surya,
misalnya sel surya dengan induksi dye (DSSC), karena ukuran partikelnya kecil, luas permukaan dan pori yang cukup besar. Sejumlah karakteristik unik tersebut memungkinkan permukaan material TiO2 dapat ditempati 20
molekul dye dan berfungsi sebagai saluran elektron. Performansi sel surya DSSC sangat ditentukan oleh karakteristik lapisan TiO2. Parameter lapisan TiO2 seperti
ketebalan, homogenitas, kekuatan kontak antara partikel TiO2 dan substrat serta ukuran partikel dipengaruhi oleh 25
metode pembuatan lapisan TiO2 (metode deposisi) yang
digunakan. Hingga saat ini, ada beberapa metode deposisi yang biasa digunakan, antara lain metode hidrothermal,
doctor blade, printing, spin coating dan dip coating.
Namun demikian, sejumlah metode tersebut cukup sulit
2
diterapkan untuk memproduksi sel surya DSSC dalam skala besar (industri) karena prosesnya relatif lambat dan membutuhkan peralatan yang cukup mahal.
Invensi sebelumnya oleh Julie Baker et al. dengan nomor paten US2011/011473 mengklaim pembuatan sel surya
5
dengan metode printing menggunakan bahan dasar TiO2
sintetis mampu menghasilkan film TiO2 yang uniform dan
ketebalannya dapat dikontrol. Namun demikian, invensi tersebut cukup sulit untuk diaplikasikan dalam skala besar (industri) karena prosesnya relatif lambat dan
10
membutuhkan peralatan yang cukup mahal.
Invensi oleh Sri Kusumawardhani tentang pembuatan
sel surya DSSC dengan metode hidrothermal mampu
menghasilkan efisiensi lebih baik. Namun demikian, metode hidrotermal yang digunakan dalam invensi tersebut
15
membutuhkan suhu dan tekanan yang tinggi serta waktu reaksi yang cukup lama sehingga membutuhkan biaya yang besar. Selain itu, dye sintetik yang digunakan dalam komponen sel surya tidak ramah terhadap lingkungan.
Oleh karena itu tujuan invensi ini adalah
20
menyediakan metode untuk membuat sel surya dengan induksi
dye menggunakan TiO2 yang dideposisi dengan penyemprotan,
yang membutuhkan peralatan sederhana; prosesnya relatif cepat dan mudah, serta dapat menghasilkan film TiO2 yang
uniform. Selain itu, dengan invensi ini beberapa
25
parameter penting yang menentukan performansi sel surya seperti homogenitas, ketebalan, ukuran partikel, dan kontak antar partikel dapat dikontrol. Invensi ini dapat menjawab tantangan dunia industri dalam pembuatan sel surya berskala besar dengan cepat dan berbiaya rendah.
3
Uraian Singkat Invensi
Sesuai invensi ini disediakan suatu metode pembuatan sel surya yang menggunakan dye dengan pelapisan TiO2 pada
sel surya menggunakan teknik penyemprotan, dimana memiliki langkah-langkah sebagai berikut: memasukan bubuk
5
TiO2 ke dalam aquades kemudian diaduk dengan menggunakan
pengaduk magnet; melapisi substrat ITO dengan scotch type (isolasi) sepanjang 1 cm untuk membuat kontak elektroda (anoda) sel surya; memasukkan suspensi TiO2 ke dalam alat
semprot yang dihubungkan dengan kompresor; menyemprotkan
10
suspensi TiO2 didalam alat semprot pada substrat ITO yang
ditempatkan pada alat pemanas bersuhu 150 C secara berulang agar diperoleh lapisan TiO2 yang terbentuk
homogen; memanaskan film TiO2 yang dihasilkan di dalam
tungku pembakar, yang dicirikan bubuk TiO2 sebanyak 5 15
gram dimasukkan ke dalam 10 mL aquades kemudian diaduk dengan menggunakan pengaduk megnet selama 45 menit dan jarak antara ujung alat semprot (nozzle) dengan substrat ITO sebesar 20-25 cm.
20
Uraian Singkat Gambar
Untuk memudahkan pemahaman mengenai inti invensi ini, selanjutnya akan diuraikan perwujudan invensi melalui gambar-gambar terlampir.
Gambar 1, adalah struktur sel surya dye-sensitized
25
solar cells (DSSC). Pada Gambar 1 terdapat gelas kaca(1),
lapisan TCO (2), lapisan TiO2 (3), dye (4), elektrolit
4
Gambar 2, adalah gambar teknik dari setup peralatan semprot TiO2 sesuai dengan invensi ini. Pada Gambar 2
terdapat air brush (7), ujung nozzle (8), pemanas (9) dan kompresor (10).
Gambar 3, adalah hasil karakterisasi XRD film TiO2 5
yang dibuat sesuai invensi ini.
Gambar 4, adalah hasil karakterisasi UV-Vis film TiO2 sesuai dengan invensi ini.
Gambar 5, adalah hasil karakterisasi SEM film TiO2
sesuai dengan invensi ini.
10
Gambar 6, adalah kurva IV sel surya DSSC dengan menggunakan film TiO2 sesuai dengan invensi ini.
Uraian Lengkap Invensi
Struktur sel surya DSSC diperlihatkan oleh Gambar 1.
15
Melalui gambar tersebut diketahui bahwa sel surya ini terdiri atas enam bagian, yaitu: (1) substrat kaca,
(2) lapisan TCO, (3) lapisan TiO2, (4) dye,
(5) elektrolit yang mengandung kopel redoks I-/I3-, dan
(6) counter elektroda yang terdiri atas platina yang
20
dilapiskan pada kaca TCO. Dalam invensi ini dilakukan pengembangan sel surya DSSC dengan metode semprot yang digunakan untuk mendeposisi lapisan TiO2 di atas substrat indium tin oxide (ITO).
Metode penyemprotan ini pertama kali digunakan oleh
25
Halme et al. (2006) untuk membuat sel surya DSSC berefisiensi 2,8%. Namun terdapat perbedaan antara invensi ini dengan hasil yang dilaporkan Halme et al. tersebut. Perbedaan tersebut terletak pada sumber bahan TiO2 yang digunakan, lama pengadukan suspensi TiO2, jarak 30
5
antara nozzle dan kolektor, tekanan kompresor yang digunakan serta perlakuan (treatment) setelah film TiO2
dihasilkan.
Setup peralatan metode penyemprotan sesuai invensi ini ditunjukkan oleh Gambar 2. Gambar ini memperlihatkan
5
alat semprot (air brush) yang dihubungkan dengan kompresor bertekanan serta substrat ITO yang ditempatkan di atas alat pemanas. Dalam proses penyemprotan, suspensi TiO2 akan keluar dalam bentuk bulir dari ujung alat
semprot (nozzle) karena didorong oleh gas dari kompresor
10
sehingga menempel pada substrat ITO yang diletakkan di atas alat pemanas bersuhu 150C. Partikel TiO2 akan
menempel pada substrat sedangkan pelarutnya (aquades) akan menguap. Penyemprotan dilakukan beberapa kali sehingga diperoleh lapisan TiO2 dengan ketebalan beberapa 15
mikron.
Secara lengkap metode pembuatan film TiO2 dengan
cara semprot seperti invensi ini adalah sebagai berikut: (1) Memasukan bubuk TiO2 sebanyak 5 gram ke dalam 10 mL
aquades kemudian diaduk dengan menggunakan pengaduk
20
magnet selama 45 menit dan ultrasonic bath selama 30 menit;
(2) Melapisi substrat ITO dengan scotch type (isolasi) sepanjang 1 cm untuk membuat kontak elektroda (anoda) sel surya DSSC;
25
(3) Memasukan suspensi TiO2 ke dalam alat semprot (air brush) yang dihubungkan dengan kompresor bertekanan 4
kPa, dimana jarak ujung alat semprot dengan substrat ITO sebesar 20 cm;
6
(4) Menyemprotkan suspensi TiO2 pada substrat ITO yang
ditempatkan pada pemanas bersuhu 150C;
(5) Menyemprotkan suspensi TiO2 sebanyak 10 kali dengan
selang waktu 1 menit agar diperoleh lapisan TiO2 yang
homogen;
5
(6) Memanaskan film TiO2 yang dihasilkan di dalam tungku
pembakar pada suhu 450C selama 45 menit.
Karakterisasi (Pengujian) Struktur, Absorbansi dan
Morfologi Film TiO2
Gambar 3 memperlihatkan hasil karakterisasi XRD film
10
TiO2 yang dihasilkan dalam invensi ini. Hasil
karakterisasi XRD tersebut memperlihatkan bahwa partikel TiO2 yang dihasilkan berbentuk kristalin serta berada
dalam fase anatase dengan puncak difraksi pada sudut 25,281; 37,80; 48,049; 53,890; 55,080; 62,688;
15
68,760; 75,029 dan 82,659 (JSPDS 21-1272). Dari hasil
perhitungan dengan menggunakan persamaan Scherrer
diketahui bahwa ukuran kristal TiO2 adalah sebesar 100
nm. Partikel TiO2 seukuran ini diyakini berperan penting
dalam menentukan performansi sel surya DSSC.
20
Hasil karakterisasi dengan menggunakan UV-Vis, seperti ditunjukkan Gambar 4, membuktikan bahwa material TiO2 dapat mengabsorbsi foton dalam rentang panjang
gelombang 0 s/d 400 nm. Berdasarkan hasil karakterisasi ini energi gap TiO2 sebesar 3,2 eV dapat diketahui.
25
Hasil karakterisasi morfologi permukaan film TiO2
dengan SEM yang ditunjukkan oleh Gambar 5(a)
memperlihatkan bahwa film TiO2 yang dibuat dengan metode
7
memperlancar saluran elektron. Di sisi lain, hasil SEM
penampang lintang film TiO2 pada Gambar 5(b)
memperlihatkan bahwa film TiO2 hasil invensi ini juga
memiliki ruang antar partikel yang cukup lebar sehingga potensial untuk diaplikasikan sebagai komponen sel surya
5
DSSC. Selain itu, kontak antar partikel TiO2 dan partikel
TiO2 dengan substrat juga menentukan performansi sel
surya DSSC yang dihasilkan.
Aplikasi Film TiO2 pada Sel Surya DSSC 10
Film TiO2 yang telah dibuat dengan metode semprot
kemudian diaplikasikan dalam sel surya DSSC dengan menggunakan dye alami dari ekstrak ketan hitam sesuai prosedur berikut:
(1) Proses ekstraksi dye dari ketan hitam dilakukan
15
sesuai dengan prosedur yang dilaporkan oleh Brian Yuliarto (2010);
(2) Film TiO2 kemudian direndam dalam larutan dye selama
24 jam lalu dibilas dengan aquades dan dipanaskan di atas alat pemanas bersuhu 40C selama 10 menit;
20
(3) Polimer elektrolit dibuat dengan mencampurkan 0,09 gram LiOH yang didispersi pada 10 mL aquades dan diaduk selama 1 jam. Larutan ini kemudian ditambahkan ke dalam 10 mL polimer PVA berbentuk gel yang diaduk
selama 2 jam. Selanjutnya, larutan iodolyte
25
(Solaronix, Swiss) yang mengandung kopel I-/I
3-ditambahkan pada polimer elektrolit.
(4) Devais sel surya dengan struktur berlapis kemudian dibuat dengan mendeposisikan polimer elektrolit di
8
atas film TiO2 dan ditutup dengan elektroda bantu
yang terbuat dari indium tin oxide dilapisi platina dengan ketebalan 70 nm.
Sel surya DSSC yang dibuat kemudian dikarakterisasi performansinya dengan menggunakan peralatan Keithley 617
5
di bawah penyinaran sinar matahari berintensitas 67,08 mW/cm2. Hasil karakterisasi ini dapat dilihat pada Gambar
6. Dari gambar tersebut diketahui bahwa melalui
penggunaan metode penyemprotan ini, sel surya DSSC berefisiensi 0,17% dapat dihasilkan.
10
15
20
25
9
Klaim
1. Suatu metode pembuatan sel surya terinduksi dye dengan pelapisan TiO2 menggunakan cara penyemprotan, dimana
memiliki langkah-langkah sebagai berikut:
memasukan bubuk TiO2 ke dalam aquades kemudian 5
diaduk dengan menggunakan pengaduk magnet dan
ultrasonic bath;
melapisi substrat ITO dengan scotch type (isolasi) sepanjang 1 cm untuk membuat kontak elektroda (anoda) sel surya;
10
memasukkan suspensi TiO2 ke dalam alat semprot yang
dihubungkan dengan kompresor;
menyemprotkan suspensi TiO2 didalam alat semprot
pada substrat ITO yang ditempatkan pada pemanas
bersuhu 150 C secara berulang agar diperoleh
15
lapisan TiO2 yang terbentuk homogen;
memanaskan film TiO2 yang dihasilkan di dalam tungku
pembakar;
dicirikan dimana :
memasukan bubuk TiO2 sebanyak 5 gram ke dalam 10 mL 20
aquades kemudian diaduk menggunakan pengaduk magnet selama 45 menit;
menyemprotkan suspensi TiO2 pada substrat ITO dengan
jarak antara ujung alat semprot dengan substrat ITO sebesar 20-25 cm.
25
2. Suatu metode pembuatan sel surya terinduksi dye dengan
pelapisan TiO2 seperti pada klaim 1, dimana
menyemprotkan suspensi TiO2 pada substrat ITO
10
3. Suatu metode pembuatan sel surya terinduksi dye dengan pelapisan TiO2 seperti pada klaim 1, dimana memanaskan
film TiO2 didalam tungku pembakar dilakukan secara
bertingkat sebesar 250C dan 450C selama 30 menit dan 45 menit, secara berurut.
5
4. Suatu metode pembuatan sel surya terinduksi dye dengan
pelapisan TiO2 seperti pada klaim 1, dimana
menyemprotkan suspensi TiO2 didalam alat semprot pada
substrat ITO dilakukan sebanyak 10 kali dengan selang waktu 1 menit.
10
5. Suatu metode pembuatan sel surya yang menggunakan dye (DSSC) dengan seperti pada klaim-klaim sebelumnya, dimana memiliki efisiensi 0,17% dan fill faktor 0,35.
15
20
11
Abstrak
METODE PEMBUATAN SEL SURYA DENGAN PENYEMPROTAN TiO2
Invensi ini berhubungan dengan pembuatan lapisan
5
TiO2 sebagai salah satu komponen sel surya DSSC. Bubuk
TiO2 ditimbang sebanyak 1 gram kemudian didispersi dalam
10 mL aquades sehingga diperoleh suspensi TiO2. Suspensi
TiO2 tersebut kemudian disemprotkan pada substrat ITO
yang ditempatkan pada pemanas bersuhu 150C. Film TiO2 10
yang diperoleh kemudian dipanaskan pada tungku pembakar (furnace) bersuhu 450C selama 45 menit. Film TiO2 yang
dibuat kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan SEM, XRD dan UV-Vis. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa lapisan TiO2 yang tersusun dari partikel TiO2 berukuran 15
nanometer telah terbentuk. Dengan perwujudan invensi ini, sel surya DSSC dapat dibuat dengan pencapaian efisiensi sebesar 0,17% dan fill factor 0,35.
20
12
13
14
