Karakterisasi Dye Organik Alam Dan Ruthenium (N719)
Sebagai Fotosensitizer Dalam Dye Sensitized Solar Cells
(DSSC)
TESIS
Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika
Oleh : HARDANI NIM S911302002
PROGRAM STUDI ILMU FISIKA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET
PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI TESIS
Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa:
1. Tesis yang berjudulμ “KARAKTERISASI DYE ORGANIK ALAM DAN
RUTHENIUM (N719) SEBAGAI FOTOSENSITIZER DALAM DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC)” ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik, serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila dikemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No. 17, Tahun 2010).
2. Publikasi sebagian atau keseluruhan dari isi Tesis ini pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs-UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka PPs-UNS berhak mempublikasinnya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi Ilmu Fisika PPs-UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta, Januari 2015 Mahasiswa
KATA PENGANTAR
Segala puji hanya bagi Allah SWT, atas berkat rahmat, taufik dan hidayah-Nya,
sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul, “Karakterisasi Dye Organik
Alam dan Ruthenium (N719) Sebagai Fotosensitizer Dalam Dye Sensitized Solar Cells
(DSSC) ”. Penyusunan tesis ini bertujuan untuk memenuhi sebagian persyaratan guna memperoleh gelar Magister pada Program Studi Ilmu Fisika Progam Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang banyak membantu dalam penulisan tesis ini, terutama kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S, selaku Direktur Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Bapak Prof. Drs. Cari, M.Sc., M.A., Ph. D, selaku Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta, sekaligus sebagai Pembimbing I yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.
3. Bapak Dr. Agus Supriyanto, M.Si, selaku pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis untuk dapat menyelesaikan tesis ini.
4. Bapak/Ibu Dosen Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan pendidikan dan pengajaran dalam bidang fisika.
5. Hibah Penelitian Pascasarjana yang telah mendanai penelitian penulis melalui Program Hibah Pascasarjana Universitas Sebelas Maret (PPS-UNS) dengan nomer kontrak 301A/ UN27/ PN/ 2014.
6. Kedua orang tua (khusus untuk Ibu ku tercinta), keluarga dan orang tersayang yang selalu mendoakan dan memberikan semangat dan motivasi.
7. Rekan-rekan sejawat magister ilmu fisika angkatan Februari 2013, penulis mengucapkan terima kasih atas kritik dan saran pada 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.
Penulis berharap semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Surakarta, Januari 2015
DAFTAR ISI
Pernyataan Orisinalitas Dan Publikasi Tesis………...
Kata Pengantar .………...……...
BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang Masalah ……….
1.2Batasan Masalah ……….………..
1.3 Rumusan Masalah ………...……….
1.4Tujuan Penelitian ………
1.5Manfaat Penelitian ……….
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Karakterisasi ………...…………..………. 2.3.4 Karakterisasi Arus-Tegangan (I-V) DSSC ………..……….……..
2.3.4.1Tegangan Rangkaian Terbuka( )………...…….………... 2.3.4.2Arus Hubungan Singkat ( ) …..………... 2.3.4.3Fill Factor (FF)……….……….……..…... 2.3.4.4Efisiensi Konversi Foto Listrik ( ) ……… 2.3.5 Pengukuran Sifat Optik …….………... 2.3.6 Konduktivitas Listrik ... BAB III METODE PENELITIAN
3.1Tempat dan Waktu Penelitian ………..….……….
3.2Alat dan Bahan Penelitian………
3.3Diagram Alir Penelitian ……….….…... 3.3.1 Persiapan ……….….…... 3.3.2 Ekstraksi dye organik alam dan dyeruthenium kompleks (N71λ)……..
3.3.3 Pembuatan pasta TiO2……….
3.3.4 Pembuatan elektroda kerja……….………. 3.3.5 Pembuatan larutan elektrolit………..………..………...
3.3.6 Pembuatan elektroda lawan………
3.4 Fabrikasi DSSC ... 3.5 Karakterisasi dye organik alam dan dye ruthenium kompleks (N719)... 3.5.1 Karakterisasi Optik (Spektrum Absorbansi)... 3.5.2 Karakterisasi Listrik (Fotokonduktivitas) ... 3.6 Pengujian karakteristik I-V DSSC ...
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakterisasi Absorbansi Dye Organik Alam dan Dye Ruthenium (N719) 4.2 Karakterisasi I-V Elektrolit………. 4.3 Karakteristik Konduktivitas dye organik alam dan dye ruthenium (N719).. 4.4 Karakterisasi I-V DSSC………...
1. Uji performa DSSC menggunakan variasi pelarut………...…………....
2. Uji performa DSSC dye organik alam dan dye ruthenium (N719) dengan variasi konsentrasi ……….
3. Uji performa DSSC variasi metode pendeposisian TiO2………
4. Uji performa DSSC variasi intensitas pencahayaan………
5. Karakteristisasi I-VDSSC hasil optimasi………...
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ……….………. ………
5.2 Saran ……….………...
Daftar Pustaka
Lampiran
37 51 52 61 61
62 66 67 70
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Beberapa Hasil Penelitian DSSC dalam Skala Laboratorium... Tabel 2.1 Nama Semi-sistematis karotenoid (Cuttriss dan Pogson, 2004)… Tabel 2.2 Pelarut organik (Lide, 2004)………... Tabel 4.1 Panjang Gelombang berbagai warna (Sumber μ Adam)………….
Tabel 4.2 Puncak spektrum absorbansi dye organik alam dan warna larutan
dalam etanol……….
Tabel 4.3 Hasil Konduktivitas Elektrolit ………..
Tabel 4.4 Hasil Konduktivitas DyeOrganik Alam ………...
Tabel 4.5 Nilai konduktivitas dye Ruthenium (N719) ………... Tabel 4.6 Nilai arus dan tegangan dari dyewortel dengan variasi pelarut…
Tabel 4.7 Nilai arus dan tegangan dari dyeorganik alam………..…
Tabel 4.8 Nilai arus dan tegangan dye Ruthenium (N719)………... Tabel 4.9 Nilai arus dan tegangan dari dye kulit buah manggis dengan variasi
metode pendeposisian TiO2………...
Tabel 4.10 Nilai Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,1%... Tabel 4.11 Nilai Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,5%... Tabel 4.12 Nilai Efisiensi dye Ruthenium (N719) 1%... Tabel 4.13 Efisiensi DSSC Hasil Optimasi………
3 12 17 39
45 51 56 60 62 63 65
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perubahan ukuran partikel anatase dan rutil sebagai fungsi dari temperature anil (Li et al.2004)... Gambar 2.2 Skema fotoeksitasi yang diikuti oleh deeksitasi pada permukaan semikonduktor (Linsebigler et al. 1995) ……… Gambar 2.3 Struktur beta-karoten (Karnjanawipagul et al. 2010)………….. Gambar 2.4 a. Struktur kimia dasar antosianin
b. Dua macam struktur antosianin dasar dalam media asam dan basa, c. Rangkaian mekanisme antosianin dengan TiO2
(Septina, et al. 2007)………...
Gambar 2.5 Struktur molekuler klorofil (Shakhashiri)…….…... Gambar 2.6 Struktur molekul dyeruthenium (N71λ)……….…... Gambar 2.7 Absorbansi ruthenium N71λ (M. Gratzel, 2005)…...
Gambar 2.8 Skema operasi DSSC berbasis dye ruthenium ( 3)
(Calandra et al. 2010)……….. Gambar 2.9 Tipikal kurva arus-tegangan (I-V) menunjukkan tegangan
rangkaian terbuka ( ), arus hubungan pendek , dan daya maksimum � . Garis putus-putus menunjukkan daya listrik pada bias tegangan yang berbeda. Titik menunjukkan daya maksimum � ... Gambar 2.10 Rangkaian ekuivalen yang disederhanakan untuk DSSC
dengan memperhitungkan resistansi seri ( ) dan resistensi
shunt ( )………
Gambar 2.11 Skema Kurva (I-V) untuk menentukan besaran efisiensi
DSSC………
Gambar 2.12 Skema hukum Lambet-Beer memperlihatkan penurunan energi radiasi akibat penyerapan cahaya (Atkins dan Paula,
2006)………...
Gambar 3.2 Skema area deposisi pasta TiO2………
Gambar 3.3 a. Ilustrasi perakitan sel surya berbasis DSSC
b. DSSC dengan dye kompleks Ruthenium (N71λ) siap uji…..
Gambar 3.4 Skema pengukuran arus-tegangan (I-V) menggunakan
ElKahfi 100/I-V meter………...
Gambar 3.5 Skema pengukuran I-V pada DSSC kondisi terang dengan menggunakan Keithley 2600A………
Gambar 4.1 Grafik Absorbansi Dye Melinjo………....
Gambar 4.2 Grafik Absorbansi DyeWortel……….
Gambar 4.3 Grafik Absorbansi DyeKulit Buah Manggis………...
Gambar 4.4 Grafik Absorbansi DyeDaun Binahong………..
Gambar 4.5 Spektrum Absorbsi cahaya tampak klorofil a dan klorofil b (Larkum, 2003)………
Gambar 4.6 Grafik Absorbansi DyeEuphorbia milii………...
Gambar 4.7 Grafik Absorbansi Dye Kulit Buah Pinang Merah……….. Gambar 4.8 Grafik Absorbansi DyeRhoeo Discolor………..
Gambar 4.9 Grafik Absorbansi DyeBunga Terompet Ungu………..
Gambar 4.10 Grafik Absorbansi Ruthenium (N71λ) 0,1%………
Gambar 4.11 Grafik Absorbansi Ruthenium (N71λ) 0,5%………..
Gambar 4.12 Grafik Absorbansi Ruthenium (N71λ) 1%……….
Gambar 4.13 Grafik Absorbansi Ruthenium (N719) dengan variasi
konsentrasi……….
Gambar 4.14 Grafik hubungan Absorbansi dengan Konsentrasi………. Gambar 4.15 Grafik Absorbansi TiO Nano Partikel………
Gambar 4.17 Grafik Konduktivitas DyeDaun Binahong………
Gambar 4.18 Grafik Konduktivitas DyeKulit Buah Pinang Merah…………
Gambar 4.19 Grafik Konduktivitas DyeEuphorbia milii………
Gambar 4.20 Grafik Konduktivitas DyeBunga Terompet Ungu………
Gambar 4.21 Grafik Konduktivitas DyeRhoeo Discolor………
Gambar 4.22 Grafik I-Vdye Ruthenium (N719) pada keadaan gelap………. Gambar 4.23 Grafik I-Vdye Ruthenium (N719) pada keadaan terang……… Gambar 4.24 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) 0,1% pada keadaan gelap
dan terang………...
Gambar 4.25 Grafik I-V dye Ruthenium (N719) 0,5% pada keadaan gelap
dan terang………..
Gambar 4.26 Grafik I-Vdye Ruthenium (N719) 1% pada keadaan gelap dan
terang……….
Gambar 4.27 Grafik I-VDSSC variasi pelarut………....
Gambar 4.28 Grafik Karakteristik DSSC DyeOrganik Alam……….
Gambar 4.29 Grafik I-V DSSC variasi konsentrasi dye ruthenium (N719) dengan pelarut etanol menggunakan platina sebagai elektroda lawan………..
Gambar 4.30 Grafik I-V DSSC variasi metode pendeposisian TiO2………..
Gambar 4.31 Perbandingan Intensitas dan Efisiensi dye Ruthenium (N719) 0,1%... Gambar 4.32 Perbandingan Intensitas dan Efisiensi dye Ruthenium (N719)
0,5%... Gambar 4.33 Perbandingan Intensitas dan Efisiensi dye Ruthenium (N719)
1%... Gambar 4.34 Grafik I-V DSSC hasil optimasi………...
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran I Hasil Penelitian DSSC dalam Skala Laboratorium
Lampiran II Nama Semi-sistematis karotenoid (Cuttriss dan Pogson, 2004) Lampiran III Jadwal Rancangan Penelitian
Lampiran IV Grafik Konduktivitas dye organik alam
Lampiran V Puncak spektrum absorbansi dye organik alam dan warna larutan dalam etanol
Lampiran VI Nilai arus dan tegangan dari dye organik alam Lampiran VII Nilai arus dan tegangan dye Ruthenium (N719)
Lampiran VIII Tabel Nilai Efisiensi dengan variasi konsentrasi dan variasi intensitas pencahayaan
Lampiran IX Grafik Absorbansi TiO2 sebelum dan sesudah direndam dye
ruthenium dengan variasi konsentrasi
Lampiran X Diagram Perbandingan Efisiensi Ruthenium (N719) dengan variasi konsentrasi dan variasi intensitas pencahayaan
Lampiran XI Grafik karakteristik I-V DSSC Ruthenium (N719) 0,1% dengan variasi intensitas pencahayaan
Lampiran XII Grafik karakteristik I-V DSSC Ruthenium (N719) 0,5% dengan variasi intensitas pencahayaan
Lampiran XIII Grafik karakteristik I-V DSSC Ruthenium (N719) 1% dengan variasi intensitas pencahayaan
Lampiran XIV Foto Dokumentasi
DAFTAR SIMBOL
Ev = energi pita valensi
Eg = energi gap
Ec = Energi pita konduksi
= energi foton
= konduktivitas bahan = energi (fm-1)
= energi elektrokimia elektrolit = fungsi gelombang azhimut − = elektron
= massa efektif elektron 0 = intensitas cahaya datang
= Tegangan sel ∗ = dye tereksitasi
= resistansi seri = efisiensi sel
= resistivitas listrik
= konsentrasi elektron pada pita konduksi per satuan volume
= frekuensi
= tegangan rangkaian terbuka = arus hubungan pendek
d = jarak antara dua elektrod
Hardani. S911302002. 2014. Karakterisasi Dye Organik Alam Dan Ruthenium (N719) Sebagai Fotosensitizer Dalam Dye Sensitized Solar Cells (DSSC). Tesis. Pembimbing I: Prof. Drs. Cari, M.A.,M.Sc.,Ph.D. II : Dr. Agus Supriyanto, M.Si. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
ABSTRAK
DSSC tersusun dari FTO/ 2 / dye/ elektrolit/ Platina/ FTO. Telah difabrikasi karakterisasi sifat optik (spektrum absorbansi) dan sifat listrik (fotokonduktivitas) dari
dye Organik Alam dan dye Organik Sintesis terhadap kinerja DSSC. Uji sifat optik dye
Organik Alam dan dye Organik Sintesis menggunakan Spectrophotometer UV Visible
1601 PC, uji sifat listrik menggunakan I-V Meter El-Kahfi pada kondisi gelap dan terang dengan sumber penyinaran dari lampu halogen 1191 W/m2 dan karakterisasi I-V DSSC menggunakan Keithley Type 2600A dengan penyinaran lampu halogen dengan variasi intensitas sebesar 100 W/m2, 250 W/m2, 500 W/m2, 750 W/m2 dan 1000 W/m2. Penelitian ini merupakan penelitian awal untuk mempelajari dan memahami proses pembuatan sel surya berbasis DSSC menggunakan pewarna organik alam dan organik sintesis dari ruthenium (N719). Spektrum absorbansi dan fotokonduktivitas optimum dihasilkan oleh dye organik alam dan dan dye ruthenium (N719). Hasil penelitian menunjukkan spektrum absorbansi dye organik alam terletak di rentang cahaya tampak kisaran 300-500 nm sedangkan dye Ruthenium (N719) terletak di rentang cahaya tampak kisaran 300-600 nm dengan puncak absorbansi 450 nm dan 550 nm. Karakteristik listrik (I-V) dari dye dalam penelitian meningkat linear di bawah pencahayaan. Selisih konduktivitas (∆ ) dye organik alam dan dye ruthenium (N719) keadaan gelap dan di bawah pencahayaan untuk konsentrasi 0,1%, 0,5% dan 1% berturut-turut sebesar 4,63 × 10-8 Ω−1 −1, 1,49 × 10-7 Ω−1 −1 dan 3,57 × 10-6
Ω−1 −1. Krakterisasi I-V DSSC dari dye organik alam yang terbesar dihasilkan oleh
dye kulit buah manggis dengan sebesar 565 ; SC= 1,52 �/ 2; FF = 0,12; dan sebesar 0,09 %, sedangkan dye-ruthenium (N719) terbesar dihasilkan oleh dye
Ruthenium berkonsentrasi 1% dengan sebesar 460 ; SC= 7,5054 �/ 2; FF = 0,24; dan sebesar 0,298%. Secara keseluruhan dye organik alam dan dye organik sintesis dapat menjadi alternatif menarik sebagai dye sensitizer.
Hardani.S911302002. 2014. Characterization of Dye Natural and Ruthenium (N719) As a Photosensitizers in Dye Sensitized Solar Cells (DSSC). Thesis. Supervisor I: Prof. Drs. Cari, M.A., M.Sc., Ph.D. II: Dr. Agus Supriyanto, M.Si. Graduate Physics Program, Graduate Study, Sebelas Maret University Surakarta.
ABSTRACT
DSSC consisted of FTO/ TiO2 / dye/ electrolyte/ Platinum/ FTO. This research aims are
to obtain the optical properties (spectrum absorption) and electricity properties (photoconductivity) from dye natural and synthesis organic about on the performance of the DSSC. The optical and electrical properties were tested using UV Visible Spectrophotometer 1601 PC and Elkahfi 100/I-V meter, respectively, while the Keithley type 2600A was used to characterization the DSSC with halogen lamp irradiation with intensity variations of 100 W/m2, 250 W/m2, 500 W/m2, 750 W/m2 and 1000 W/m2. The research is introduction research to explore and investigate the development of solar cells DSSC based using dye natural and organic synthesis of ruthenium (N719). Optimum absorption spectra and photoconductivity were generated by dye natural organic and the dye- Ruthenium (N719). This study shown that absorption spectra of dye natural organic were in the range 300-500 nm, while dye-ruthenium (N719) were in the range of 300-600 nm with absorption peak of 450 nm and 550 nm. Electrical characteristics (I-V) of the dye increased linearly under illumination. The difference between conductivity in the dark and irradiation (Δσ) dye natural organic and dye-ruthenium (N719) with a concentration of 0.1%, 0.5% and 1% respectively were 4.63 × 10-8 Ω−1 −1, 1.49 × 10-7 Ω−1 −1 and 3.57 × 10-6 Ω−1 −1. Characteristic I-V DSSC from dye natural organic who largest generated by dye-mangisten obtained Voc of 565
mV;Jsc= 1.52 A/m2;FF = 0.12; and was about 0.09%, respectively, while
dye-ruthenium (N719) generated by the dye Ruthenium largest concentration of 1% obtained Voc of 460 mV;Jsc= 7.5054 A/m2;FF = 0.24; and was about 0.298%,
respectively. Overall, dye natural and synthesis organic could be attractive alternative as a dye sensitized.
