ISBN :

(1)

(2)

PROSIDING

Seminar Nasional dan Rapat Tahunan Bidang MIPA 2014

“Integrasi Sains MIPA untuk Mengatasi Masalah Pangan, Energi, Kesehatan, Lingkungan, dan Reklamasi”

Diterbitkan Oleh :

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

(3)

Seminar Nasional dan Rapat Tahunan Bidang MIPA 2014 | SEMIRATA

518

SEL SURYA FOTOELEKTROKIMIA DENGAN NANOPARTIKEL ZnO SEBAGAI MATERIAL AKTIF ELEKTRODA KERJA DAN NANOPARTIKEL PLATINUM

SEBAGAI ELEKTRODA LAWAN

(PHOTOELECTROCHEMICAL SOLAR CELL USING ZnO NANOPARTICLES AS ACTIVE MATERIALS OF WORK ELECTRODE AND PLATINUM NANOPARTICLES AS

COUNTER ELECTRODE)

Iwantono1, Fera Anggelina1, Erman Taer1, dan Rika Taslim1

Jurusan Fisika FMIPA Universitas Riau, Pekanbaru

Jl. H. R. Soebrantas KM 12,5 Simpang Baru – Panam Pekanbaru 28293

1*_{Email: iwan_tono@yahoo.co.uk}

ABSTRACT

The aims of this research was to build a photo-electrochemical solar cell by using platinum nanoparticles grown onto ITO as a counter electrode and ZnO nanoparticles grown on FTO as the active materials of positive electrode. The growth of ZnO nanoparticles have been carried out by using the hydrothermal method, meanwhile platinum nanoparticles have been growth with the in-situ growth method. The UV-Vis spectra of the samples showed that the ZnO nanoparticles of spherical shape were dominated to grow on the FTO, as a representation of strong single peak of the absorption spectra. The particles grew uniformly with high density. The treatment of a variation of temperature and growth time showed that the particles grew better as temperature and duration time increased. The FESEM images showed that the shape of ZnO nanoparticles was a spherical shape with the uniform size of about 30 nm in diameter. Meanwhile, platinum nanoparticles have grown on ITO in spherical shape, uniform and high density. Photo-electrochemical solar cells have been built by using the ZnO nanoparticles as the work electrode and a pair of I-/I3- as electrolyte solution and

platinum nanoparticles on ITO as the counter electrode. Performances of the cells have been measured under halogen lamp of 100 mW/cm2. The measurement yielded the fill factor and the efficiency of about 0.267 and 0.099 %, respectively.

Keywords: hydrothermal, nanoparticles, photo-electrochemical, platinum, solar cell, ZnO.

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk membuat sel surya fotoelektrokimia dengan menggunakan nanopartikel platinum yang ditumbuhkan pada ITO (Indium Tin Oxide) sebagai elektroda lawan dan nanopartikel seng oksida (ZnO) yang ditumbuhkan pada FTO (Flourine Tin

Oxide) sebagai material aktif elektroda kerja. Penumbuhan nanopartikel ZnO dilakukan

dengan menggunakan metode hidrotermal, sedangkan nanopartikel platinum dengan metode in-situ growth. Spektrum UV-Vis menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO yang tumbuh di atas FTO didominasi partikel berbentuk spheris, sebagai representasi dari puncak absorpsi yang cukup kuat. Perlakukan variasi waktu dan suhu penumbuhan memperlihatkan bahwa semakin lama waktu dan semakin tinggi suhu penumbuhan maka semakin merata dan semakin tinggi densitas nanopartikel yang tumbuh. Foto FESEM memperlihatkan bahwa nanopartikel ZnO tumbuh berbentuk spheris dengan ukuran seragam dengan diameter sekitar 30-100 nm. Sementara itu, nanopartikel platinum tumbuh di atas ITO berbentuk spheris dengan ukuran seragam dan densitas tinggi. Sel surya fotoelektrokimia disusun menggunakan nanopartikel ZnO pada FTO sebagai elektroda kerja, pasangan redoks I-/I3- sebagai larutan elektrolit, dan nanopartikel

(4)

0.267 dan 0.099 %.

Kata Kunci: fotoelektrokimia, hidrotermal, nanopartikel, sel surya, platinum, ZnO.

PENDAHULUAN

Cahaya matahari merupakan energi alternatif yang sangat dikembangkan saat ini, karena tidak menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan, tidak terbatas jumlahnya serta gratis. Pemilihan cahaya matahari sebagai energi alternatif juga memberikan dampak positif terhadap lingkungan, seperti mengurangi pencemaran terhadap lingkungan, mengurangi efek rumah kaca, dan pemanasan global. Cahaya matahari dapat diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan sel surya.[1] Saat ini terdapat tiga generasi sel surya, yaitu: sel surya berbasis silikon yang memiliki efisiensi tertinggi mencapai 24%, namun sel ini menggunakan bahan baku yang mahal dan memerlukan teknologi yang tinggi dalam fabrikasinya.[2] Sel surya generasi kedua adalah sel surya lapis tipis, sel ini mampu mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik dengan efisiensi 15%, pembuatan sel surya lapis tipis ini masih terbilang mahal dan masih dipertimbangkan sebagai energi alternative.[3] Penelitian sel surya semakin berkembang untuk menghasilkan sel surya yang memenuhi syarat sebagai energi alternatif, sehingga dihasilkanlah sel surya generasi ketiga yaitu sel surya fotoelektrokimia, sel ini menggunakan elektrolit sebagai mediator.[4] Efisiensi tertinggi yang diperoleh sel surya fotoelektrokimia hingga saat ini adalah sebesar 11%, dengan bahan baku yang murah dan proses pembuatan yang mudah.[5]

Sel surya fotoelektrokimia tersusun atas beberapa komponen utama, yaitu elektroda kerja (anoda), dye sebagai fotosensitizer, elektrolit (I-/I3-), dan elektroda lawan

(katoda) yang ditumbuhkan nanopartikel logam (Platinum) sebagai katalis. Bagian atas dan alas sel adalah kaca yang sudah dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide), seperti ITO (Indium Tin Oxide) yang berfungsi sebagai elektroda kerja dan elektroda lawan [4]. Untuk meningkatkan efisiensi sel surya fotoelektrokimia dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya adalah dengan meningkatkan kristalinitas nanopartikel ZnO yang berfungsi sebagai elektroda kerja pada sel atau` anoda yang berfungsi sebagai penyerap cahaya yang datang dan menambah luas permukaan nanopartikel platinum sebagai elektroda lawan atau katoda. Berdasarkan penelitian dengan menggunakan metode chemical bath deposition, diperoleh hasil bahwa peningkatan kristalinitas nanopartikel ZnO dapat diperoleh dengan meningkatnya temperatur dan waktu deposisi.[6] Atas dasar hasil penelitian tersebut, dirasa perlu dilakukan penumbuhan nanopartikel ZnO di atas FTO sebagai elektroda kerja sel. Selanjutnya dari sampel terbaik dengan variasi parameter fisis waktu, temperatur, konsentrasi dan aspek rasio saat dibuatlah sel surya fotoelektrokimia. Terakhir, sel surya tersebut kemudian diukur performansinya dengan menganalisa karakteristik I-V nya dan diukur efisiensi dan daya maksimum keluarannya.

(5)

520

Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah potassium tetrachloroplatinate (II) (K2PtCl4), asam askorbat (ascorbid acid) (C6H8O6), DI water, zinc asetat ((CH3COO)2Zn),

ethanol, zinc nitrat dihydrat (Zn(NO3)2.2H2O, HMT (Hexamethylenetetramine) ((CH2)6N4),

aceton, dan DI water (air suling).

Penumbuhan nanopartikel platinum dilakukan dengan metode In Situ Growth, yang diawali dengan menyiapkan larutan penumbuh yang terdiri dari campuran 1 ml K2PtCl4 0,01 M, 1 ml ascorbid acid 0,2 M, dan 20 ml DI water. Substrat yang telah

dibersihkan kemudian direndam ke dalam larutan penumbuh. Pada penelitian ini nanopartikel platinum di tumbuhkan dengan tiga variasi penumbuhan berulang, yakni satu, dua, dan tiga kali penumbuhan. Dalam sekali penumbuhan dibutuhkan waktu 10 Jam pada suhu 50ºC. Sedangkan Nanopartikel ZnO disiapkan dengan dua langkah proses, yaitu tahap pembenihan dan penumbuhan. Pembenihan dilakukan dimulai dengan campuran 0,01 M zinc acetate dan 10 ml larutan ethanol disebarkan dengan meneteskannya di atas substrat hingga merata, kemudian dilanjutkan dengan proses spin coating selama 30 detik dengan kecepatan 3000 rpm. Kemudian sampel dikeringkan dan dipanaskan di atas hot plate pada suhu 100ºC selama 15 menit dan proses ini diulang sebanyak tiga kali agar benih di atas substrat terdistribusi merata. Terakhir sampel dianneling pada suhu 350ºC selama 1 jam. Proses pembuatan nanopartikel ZnO dilanjutkan dengan penumbuhan dalam larutan zinc nitrat dihydrate 100 mM di dalam 15 ml DI water dan 100mM HMT dalam 15 ml DI water. Substrat yang telah dibenihkan selanjutnya direndam ke dalam larutan penumbuh, kemudian dimasukkan ke dalam oven. Pada penelitian ini dilakukan perlakuan variasi waktu, temperatur, konsentrasi dan aspek rasio larutan penumbuh. Variasi waktu penumbuhan dipilih 1, 2, 3, dan 4 jam, sedangkan variasi temperatur yang digunakan dalam penelitian ini adalah 40ºC, 50ºC, 60ºC, 70ºC, 80ºC, dan 90ºC. Sementara itu, konsentrasi larutan penumbuh yang dipilih adalah 100 mM dan 200 mM dan perbandingan volume Zink Nitrate Dihidrate : Heksametiltetramine adalah 15 mL : 15 mL; 10 mL : 20 mL; 20 mL : 10 mL ; 7 mL : 21 mL dan 21 mL : 7 mL.

Karakterisasi sampel dilakukan dengan spektroskopi UV-Vis untuk menganalisa spektrum absorpsi sampel dan FESEM untuk menyelidiki morfologi dari permukaan sampel yang mengandung nanopartikel ZnO. Fabrikasi sel surya dimulai dengan membuat batas daerah yang akan diuji menggunakan parafilm dengan ukuran luas 0.23 cm2. Pengujian sel kemudian difokuskan pada daerah tersebut. Parafilm yang telah dimodifikasi selanjutnnya ditempelkan pada bagian sampel yang mengandung nanopartikel ZnO, kemudian bagian nanopartikel platinum diletakkan berhadapan dengan sisi nanopartikel ZnO yang telah dilapisi oleh parafilm. Selanjutnya kedua elektroda dijepit sisi kanan dan kiri nya dengan menggunakan penjepit kertas, kemudian diteteskan elektrolit yang telah disiapkan yang terdiri dari campuran dari beberapa bahan kimia. Proses pembuatan elektrolit adalah dimulai dengan melarutkan LiI (Litium Iodide) 0.1 M ke dalam 10 ml acetonitrile. Selanjutnya bahan kimia lain, diantaranya tetrabuthylammonium iodide 0.5 M, I2 0.05 M, dan 0.73 ml 4-tertbuthylpyride disiapkan

dan dilarutkan secara berurutan ke dalam larutan LiI. Penetesan elektrolit dilakukan sebanyak 1-2 kali pada daerah yang telah ditentukan. Setelah itu sel siap diuji menggunakan rangkaian alat yang telah dihubungkan dengan software Keithley 237 SMU. Sumber cahaya yang digunakan adalah lampu halogen yang disimulasi dengan filter AM 1.5G sehingga bersifat seperti cahaya matahari dengan intensitas 100mW/cm2.

(6)

dengan metode hidrotermal diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Spektrum absorpsi Uv-Vis dari sampel yang mengandung nanopartikel ZnO dengan variasi waktu, temperatur, konsentrasi dan aspek rasio.

Variasi waktu, temperatur, konsentrasi dan aspek rasio pada penumbuhan nanopartikel ZnO menghasilkan sampel yang memiliki tingkat penyerapan yang berbeda-beda. Dari gambar 1 terlihat bahwa semua sampel menghasilkan satu puncak absorpsi yang cukup kuat, yaitu pada panjang gelombang sekitar 400 nm, dengan kecenderungan munculnya puncak kedua yang lebih landai. Puncak pertama yang cukup kuat ini merepresentasikan penumbuhan nanopartikel ZnO dengan bentuk spheris atau bola yang lebih dominan dari bentuk partikel lain. Kecenderungan munculnya puncak kedua yang lebih lemah mengindikasikan bahwa selain bentuk spheris, partikel ZnO yang tumbuh juga memiliki bentuk lain dengan jumlah yang lebih sedikit dari bentuk bola.

Sampel yang disiapkan pada konsentrasi 200 mM dengan aspek rasio 3:1, merupakan sampel yang memiliki tingkat penyerapan yang paling rendah, ini berarti nanopartikel yang tumbuh tidak merata di atas FTO, sehingga densitasnya rendah. Berbeda halnya dengan sampel yang ditumbuhkan dengan waktu penumbuhan 4 jam dan suhu penumbuhan 90ºC dengan konsentrasi 100 mM dan aspek rasio 1:1 memiliki intensitas penyerapan paling tinggi dibandingkan dengan sampel lainnya. Ini mengindikasikan bahwa nanopartikel ZnO yang disiapkan dengan kondisi tersebut tumbuh lebih merata dan oleh karenanya densitasnya juga lebih tinggi dibandingkan dengan sampel yang disiapkan dengan suhu lebih rendah dan variasi lain. Dari hasil karakterisasi UV-Vis ini, dapat disimpulkan bahwa semakin lama waktu dan tingginya suhu penumbuhan dengan aspek rasio yang sama maka dihasilkan partikel yang semakin merata dan semakin tinggi densitasnya.

Foto FESEM (Gambar 2 a dan b) menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO tumbuh di atas substrat dengan mengelompok pada sebagian besar permukaan substrat, dengan ukuran yang cukup rata/sama, dengan diameter sekitar 200 nm. Bentuk partikel yang tumbuh didominasi oleh bentuk spheris. Pada Gambar 2 c terlihat bahwa nanopartikel yang tumbuh lebih merata dengan ukuran yang relatif sama/rata, dengan diameter sekitar

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 VS (90 ᴼC) VW ( 4 jam) 3 : 1 ( 200 mM) 1:1 (100 mM) 1 : 1 ( 200 mM)

(7)

522

30-100 nm, dengan bentuk partikel yang tumbuh juga didominasi oleh bentuk spheris. Sedangkan pada Gambar 2 d memperlihatkan bahwa nanopartikel ZnO yang tumbuh berbentuk semi-rods, namun nanopartikel yang tumbuh kurang merata dan masih ada beberapa bagian permukaan substrat yang kosong akibat tidak ditumbuhi nanopartikel ZnO. Sel surya fotoelektrokimia dibuat dengan menyusun elektroda kerja/nanopartikel ZnO, elektroda lawan/nanopartikel platinum, parafilm dan elektrolit. Pengukuran performa sel surya dilakukan dengan menganalisa karakteristik J-V.

Gambar 2. Foto SEM dari sampel yang mengandung nanopartikel ZnO yang tumbuh di atas FTO pada perbesaran 10.000 kali dengan kondisi optimum (a) waktu, (b) suhu, (c) konsentrasi dan (d) aspek rasio

Pengukuran J-V dilakukan dengan menggunakan software Keithley 237 SMU. Sumber cahaya yang digunakan adalah lampu halogen yang disimulasi dengan filter AM 1.5G sehingga bersifat seperti cahaya matahari dengan intensitas 100 mW/cm2. Sampel yang diukur adalah dua sampel terbaik dari hasil uji UV-Vis dan FESEM. Dalam pengukuran sel, tegangan awal dan akhir diatur guna mendapatkan variasi arus dalam pengukuran sel. Nilai fill factor dan efisiensi diperoleh dari perhitungan beberapa parameter pengukuran seperti Jsc, Voc, Vmpp,dan Jmpp.

Gambar 3 Peralatan dan rangkain untuk pengujian efisiensi sel surya fotoelektrokimia

Grafik J vs V menggambarkan hubungan antara densitas arus dan tegangan yang dihasilkan oleh sel, pada keadaan gelap arus meningkat secara eksponensial dengan meningkatnya tegangan. Pada keadaan terang arus yang hasilkan juga meningkat secara kontinu hingga akhir pengukuran. Hasil perhitungan data pengukuran sel, diperoleh angka seperti pada Tabel 1. Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa fiil factor dan efisiensi tertinggi diperoleh oleh sampel dengan variasi konsentrasi 100 mM dan aspek rasio 1:1, yaitu pada suhu dan waktu penumbuhan 90ºC dan 4 jam.

(8)

A B

Gambar 4 Grafik pengujian karakteristik I - V dari sel surya dalam keadaan gelap (A) dan keadaan terang (B)

Tabel 1 Nilai parameter fisis hasil perhitungan dari data hasil uji performansi sel

Sampel Jsc (mA/cm2) Voc (V) FF Efisiensi (%)

4 jam;90ºC 1.007 0.38 0.236 0.090

1:1;100mM 0.883 0.42 0.267 0.099

KESIMPULAN

Nanopartikel ZnO telah berhasil ditumbuhkan pada FTO sebagai elektroda kerja menggunakan metode hidrotermal untuk aplikasi sel surya fotoelektrokimia. Nanopartikel platinum juga berhasil ditumbuhkan pada ITO sebagai elektroda lawan sel surya fotoelektrokimia dengan menggunakan metode in situ growth. Spektrum UV-Vis menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO yang terbentuk didominasi oleh spheris, sebagai representasi puncak yang cukup kuat, sedangkan kecenderungan terbentuknya puncak kedua merepresentasikan bentuk lain (nano-rod) juga tumbuh pada sampel. Foto FESEM dari sampel yang disiapkan dengan variasi waktu dan suhu penumbuhan menghasilkan nanopartikel ZnO dengan ukuran partikelnya masih cukup besar, yaitu sekitar 200 nm. Foto FESEM untuk sampel dengan konsentrasi 100 mM dan aspek rasio 1:1 menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO yang tumbuh di atas substrat FTO lebih merata dan menghasilkan densitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel lain, dengan ukuran yang cukup rata, diameter partikelnya berkisar 30-100 nm. Partikel ZnO yang tumbuh didominasi oleh bentuk spheris. Hasil UV-Vis dan FESEM nanopartikel ZnO terbaik digunakan sebagai sampel untuk uji prestasi sel surya fotoelektrokimia. Dari data pengukuran J-V sel diperoleh bahwa nilai fill factor dan efisiensi sel tertinggi dihasilkan oleh sampel berturut-turut sebesar 0.267 dan 0.099 %.

-15 -10 -5 0 5 -1 -0.6 -0.2 0.2 0.6 1 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 J (mA/cm2) 4 jam (90ᴼC) J (mA/cm2) 1:1 (100mM)

(9)

524

UCAPAN TERIMAKASIH

Kami menyampaikan ucapan terima kasih kepada Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Pendidikan Tinggi dan Universitas Riau yang telah membiayai penelitian ini, melalui Hibah Strategis Nasional Tahun 2013, dengan Ketua Tim Peneliti: a.n DR. Iwantono, M.Phil.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kumara, W., S., M. dan Gontjang Prajitno. 2012. Studi awal fabrikasi dye sensitized solar cell (DSSC) dengan menggunakan ekstraksi daun bayam (Amaranthus Hybridus L.) sebagai dye sensitizer dengan variasi jarak sumber cahaya pada DSSC, Skripsi Jurusan Fisika FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

[2] Grätzel, Michael. 2001. Photoelecrochemical cells. Insight Review Articles. Vol. 414: 338-344. Switzerland : Swiss Federal Institute of Technology.

[3] Green, A. M., K. Emery, Y. Hishikawa, and W. Warta. 2011. Solar cell efficiency tables (version 37). Progress in Photovoltaics: Research and Applications. Vol. 19: 84-92.

[4] Phani, G., G. Tulloch, D. Vittorio, and I. Skryabin. 2001. Titania Solar Cells: New Photovoltaic Technology. Renewable Energy. Vol. 22 : 303-309.

[5] Grätzel, Michael. 2004. Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized Solar Cells. Journal of Photochemistry and

Photobiology A: Chemistry. Vol. 164: 3-14.

[6] Labib, M., F., Harjito, dan Subiyanto Hadi Saputro. 2012. Sintesis Lapis Tipis Seng Oksida (ZnO) Nanorods sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitasi Zat Warna. Indonesian Journal Chemical Science. Vol. 1: 1.

[7] Akrajas Ali Umar, Mohd Yusri Abd Rahman, Rika Taslim, Muhamad Mat Salleh dan Munetaka Oyama. 2011. A simple route to vertical array of quasi-1D ZnO nanofilms on FTO surfaces: 1D-crystal growth of nanoseeds under ammonia-assisted hydrolysis process. Nanoscale Research Letter 2011, 6:564

[8] Rika Taslim, M. Y. A. Rahman, A. A. Umar dan M. M. Salleh. 2012. Fabrication of Photoelectrochemical cell using highly compact vertical array ZnO Nanorod.