BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Sel surya tersensitisasi zat warna (dye-sensitized solar cell, DSSC) merupakan jenis sel surya generasi ketiga yang banyak dikembangkan karena efisiensinya yang tinggi, preparasi yang mudah, serta biaya fabrikasi yang relatif rendah (Grätzel, 2003). DSSC pertama kali diperkenalkan oleh O’Regan dan Grätzel pada tahun 1991 (Green dkk., 2006). DSSC terdiri dari empat komponen utama, meliputi elektroda kerja, fotosensitizer, elektrolit redoks, dan elektroda lawan. O’Regan dan Grätzel melakukan fabrikasi DSSC menggunakan sistem elektroda kerja nanopori TiO2 yang disensitisasi dengan zat warna kompleks ruthenium dan menggunakan pasangan elektrolit redoks I-/I3- berbasis pelarut organik cair asetonitril. DSSC ini menghasilkan efisiensi yang cukup tinggi, yaitu mencapai sekitar 11% (Green dkk., 2006).
DSSC dengan elektrolit cair berbasis pelarut asetonitril atau etilen glikol mampu menghasilkan efisiensi yang cukup tinggi. Namun, penggunaan elektrolit cair pada sistem DSSC memiliki beberapa kelemahan seperti mudah mengalami penguapan, kebocoran, dan stabilitas termal yang rendah (Huo dkk., 2007;
Buraidah dkk., 2011; Yuan dkk., 2015). Kelemahan ini dapat diatasi melalui penggantian elektrolit cair dengan elektrolit berbasis polimer membentuk sistem elektrolit padat dan semipadat (Mohamad dkk., 2007).
Penggantian elektrolit cair dengan elektrolit padat atau semipadat dapat dilakukan dengan penggantian sistem pelarut yang digunakan. Pelarut-pelarut cair seperti asetonitril, etilen karbonat, etilen glikol, maupun propilen karbonat dapat diganti dengan polimer-polimer yang dapat berinteraksi dengan garam elektrolit.
Polimer-polimer yang dapat melarutkan garam adalah polimer-polimer yang mengandung atom-atom seperti N, O, atau S (mempunyai pasangan elektron bebas) yang dapat berinteraksi dan menyebabkan disosiasi garam (Vincent, 1995).
Polimer-polimer sintetik yang telah digunakan sebagai matriks elektrolit meliputi PEO atau polietilen oksida (Kalaignan dkk., 2006), poli(sianoakrilat) (Lu dkk.,
2007), dan P(VDF-HFP) atau polivinilidin florida-heksafluoropropilen (Huo dkk., 2007), sedangkan jenis polimer alam yang telah digunakan dalam beberapa penelitian adalah agarosa (Yang dkk., 2011) dan kitosan (Mohamad dkk., 2007;
Buraidah dkk., 2010). Penggunaan polimer-polimer sintetik seperti PEO, poli(sianoakrilat), dan P(VDF-HFP) sebagai matriks elektrolit mampu menghasilkan DSSC padat dan semipadat yang memiliki kestabilan tinggi.
Namun, penggunaan polimer sintetik memiliki kekurangan, yaitu biaya fabrikasi DSSC yang relatif tinggi serta bersifat tidak ramah lingkungan. Oleh karena itu, beberapa polimer alam seperti kitosan dan agarosa dikaji penggunaannya sebagai matriks elektrolit dalam DSSC.
Kitosan merupakan salah satu polimer alam yang banyak dipakai sebagai matriks elektrolit dalam DSSC. Adanya gugus amina (-NH2) dan hidroksil (-OH) menyebabkan kitosan dapat berperan dalam disosiasi garam. Selain itu, kelimpahannya yang besar dan sifatnya yang biodegradabel serta non toksik menyebabkan penggunaan kitosan dinilai ramah lingkungan. Mohamad dkk.
(2007) melakukan kajian penggunaan campuran PEO dan kitosan sebagai matriks bagi elektrolit NH4I/I2 membentuk sistem DSSC padat yang cukup stabil.
Penggunaan kitosan sebagai matriks elektrolit, selain dikaji dalam penelitian Mohamad dkk. (2007), juga dilaporkan oleh Singh dkk. (2010) dan Buraidah dkk.
(2010). Penggunaan kitosan mampu menghasilkan sistem DSSC padat/semipadat yang cukup stabil, namun efisiensi yang dihasilkan masih relatif rendah jika dibandingkan dengan DSSC konvensional berbasis elektrolit cair maupun sistem DSSC padat/semipadat berbasis polimer sintetik.
Salah satu upaya yang dilakukan untuk meningkatkan kinerja elektrolit berbasis kitosan adalah penambahan ionic liquid. Ionic liquid merupakan garam elektrolit yang berwujud cair pada suhu kamar dan banyak digunakan dalam DSSC karena memiliki konduktivitas dan stabilitas termal yang tinggi.
Penambahan EMImSCN (1-etil-3-metilimidazolium tiosianat) ke dalam sistem elektrolit padat kitosan/NaI/I2 mampu meningkatkan efisiensi hingga 5 kali lebih besar (Singh dkk., 2010). Pada sistem DSSC berbasis pasangan elektrolit redoks I- /I3-, penggunaan ionic liquid berbasis anion iodida dinilai lebih menguntungkan
karena dapat berfungsi sebagai plastisizer sekaligus sumber ion I-. Buraidah dkk.
(2010) melaporkan bahwa penambahan BMII (1-butil-3-metilimidazolium iodida) ke dalam sistem elektrolit padat kitosan/NH4I/I2 menghasilkan peningkatan efisiensi hingga 4 kali lebih besar. Pengaruh jenis ionic liquid berbasis anion iodida terhadap kinerja DSSC telah dikaji oleh Cho dkk. (2011). Beberapa jenis ionic liquid yang digunakan meliputi EMII, PMII, BMII, DMII, DMPII, dan HMII. Berdasarkan penelitian Cho dkk. (2011) diketahui bahwa PMII merupakan ionic liquid dengan ukuran kation yang optimum dan menghasilkan viskositas elektrolit yang tidak terlalu tinggi, sehingga menghasilkan mobilitas ionik yang tinggi dan DSSC dengan kinerja yang terbaik.
Kinerja elektrolit dalam DSSC sebagai mediator aliran elektron, selain dapat ditingkatkan dengan penambahan ionic liquid, juga dipengaruhi oleh jenis garam elektrolit yang digunakan. Bhattacharya dkk. (2009) melaporkan bahwa penggunaan garam iodida dengan ukuran kation lebih besar menghasilkan konduktivitas yang lebih besar. Selain berpengaruh terhadap nilai konduktivitas elektrolit, ukuran kation garam elektrolit juga berpengaruh terhadap perubahan tingkat energi semikonduktor TiO2. Perubahan tingkat energi ini berpengaruh terhadap nilai efisiensi DSSC yang dihasilkan. Efisiensi DSSC yang meningkat seiring dengan peningkatan ukuran kation garam alkali iodida juga telah dilaporkan oleh Lee dkk. (2010). Berdasarkan penelitian Lee dkk. (2010), diketahui bahwa besarnya efisiensi DSSC dipengaruhi oleh terjadinya reaksi redoks di dalam sistem elektrolit yang sangat ditentukan oleh jenis garam elektrolit yang digunakan. Berdasarkan penelitian Bhattacharya dkk. (2009) dan Lee dkk. (2010), diketahui bahwa jenis garam elektrolit sangat berpengaruh terhadap kinerja DSSC yang dihasilkan.
Sistem elektrolit padat/semipadat berbasis polimer tersusun dari polimer, pelarut, serta garam elektrolit. Selain faktor jenis garam elektrolit yang digunakan, kinerja polimer sebagai matriks bagi garam elektrolit juga mempengaruhi kinerja sistem elektrolit yang dihasilkan. Penambahan polimer konduktif ke dalam sistem elektrolit berbasis polimer diketahui dapat meningkatkan kinerja DSSC. Polianilin adalah salah satu polimer konduktif yang banyak digunakan, karena memiliki
konduktivitas dan stabilitas termal yang tinggi. Selain itu, polianilin dapat berperan dalam meningkatkan kepolaran matriks dan menambah jalur transport elektron (Tang dkk., 2012). Tang dkk. (2012) melaporkan bahwa penambahan polimer konduktif polianilin ke dalam sistem polimer PAA/gelatin dapat meningkatkan efisiensi DSSC dari 6,32% menjadi 6,94%, sedangkan penambahan polianilin ke dalam sistem polimer PAA/CTAB dalam penelitian Yuan dkk.
(2015) mampu meningkatkan efisiensi DSSC dari 6,07% menjadi 7,11%. Yuan dkk. (2015) juga menyatakan bahwa tingginya konduktivitas sistem elektrolit berbasis polianilin menyebabkan penggunaan polianilin menghasilkan kinerja DSSC yang lebih baik daripada penggunaan polimer konduktif jenis polipirol.
Uraian-uraian di atas menunjukkan bahwa kinerja elektrolit berbasis polimer dalam DSSC dipengaruhi oleh jenis garam elektrolit, penggunaan ionic liquid, serta penggunaan polimer konduktif. Singh dkk. (2010), Li dkk. (2014), dan Yuan dkk. (2015) menyatakan bahwa kinerja elektrolit sebagai media aliran elektron dapat dilihat dari fenomena terjadinya reaksi redoks serta konduktivitas elektrolit. Fenomena terjadinya reaksi redoks dapat dipelajari dengan metode voltametri siklis, sedangkan nilai konduktivitas elektrolit dapat ditentukan secara konduktimetri. Berbagai penelitian telah dilakukan, namun sejauh ini, pengaruh jenis garam alkali iodida, pengaruh penggunaan ionic liquid PMII, dan pengaruh penggunaan polianilin terhadap kinerja sistem elektrolit berbasis kitosan belum pernah dikaji dalam penelitian-penelitian sebelumnya. Pada penelitian ini, akan dikaji penggunaan elektrolit semipadat berbasis kitosan dengan variasi garam alkali iodida (LiI, NaI, KI dan CsI) yang dikombinasikan dengan penggunaan ionic liquid PMII, serta penggunaan polimer konduktif polianilin. Variabel yang dikaji adalah pengaruh jenis garam, pengaruh komposisi garam alkali iodida- PMII, serta pengaruh komposisi kitosan-polianilin terhadap kinerja gel elektrolit dan DSSC yang dihasilkan. Kinerja elektrolit dilihat dari nilai konduktivitas dan intensitas arus oksidasi-reduksi elektrolit, sedangkan kinerja DSSC dilihat dari nilai efisiensi yang dihasilkan.
I.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini antara lain:
Tujuan umum: menghasilkan sistem DSSC dengan gel elektrolit berbasis kitosan.
Tujuan khusus:
1. Mengetahui pengaruh jenis garam alkali iodida (LiI, NaI, KI, dan CsI) terhadap siklus redoks dan konduktivitas gel elektrolit berbasis kitosan.
2. Mengetahui pengaruh penggunaan PMII terhadap siklus redoks dan konduktivitas gel elektrolit berbasis kitosan.
3. Mengetahui pengaruh penggunaan polianilin terhadap siklus redoks dan konduktivitas gel elektrolit berbasis kitosan.
4. Mengetahui pengaruh siklus redoks dan konduktivitas gel elektrolit berbasis kitosan terhadap nilai efisiensi DSSC yang dihasilkan.
I.3 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diperoleh dari hasil penelitian ini antara lain:
1. Diversifikasi pemanfaatan kitosan dengan menggunakannya sebagai matriks elektrolit dalam DSSC.
2. Menambah khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang energi alternatif, khususnya DSSC.
3. Memperoleh metode dan teknologi baru dalam pembuatan gel elektrolit berbasis kitosan.
4. Memperoleh teknologi baru DSSC semipadat menggunakan gel elektrolit berbasis kitosan.
