153
Kajian Pengaruh Ketebalan Lapisan P3HT Pada Sel Surya
Organik Berbasis Bahan Organik Dan Polimer
Fredicha Arya N, Agus Supriyanto, Fahru Nur Rosyid
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No. 36 A Kentingan, Surakarta
Email: fr3dy_palazzo@yahoo.com
Diterima (21 Juni 2013), direvisi (5 Juli 2013)
Abstract. Organic solar cells with structure of FTO / PEDOT: PSS/P3HT/Klorofil/Al has been
made. Fabrication of the active layer organic solar cells using spin coating method, while the counter electrode fabricated using evaporator method. Variations performed on P3HT layer with thickness variation is 1 layer, 3 layers, 5 layers and 7 layers. Characterization of optical properties in the visible conducted using UV-VIS spectrometer, while the electrical properties characterictics using the IV Meter El Kahfi in the dark and under irradiation. Characterization of organic solar cells was measured by using a Keithley 2602. Organic solar cell I-V characteristics measured tested under illumination with an intensity of 1000 Watt/m2 using xenon light in the area of 10 mm2. Based on the results obtained organic solar cells with 7 layers of P3HT shows the I-V characteristics of the best results compared to other P3HT layer thickness.
Keywords: organic solar cell, P3HT, klorofil, spin coating.
Abstrak. Sel surya organik dengan struktur FTO/Pedot:PSS/P3HT/Klorofil/Al telah dibuat.
Fabrikasi lapisan aktif sel surya organik dengan menggunakan metode spin coating sedangkan fabrikasi elektroda counter dengan menggunakan metode evaporator. Variasi dilakukan pada lapisan P3HT dengan variasi ketebalan yaitu 1 lapis, 3 lapis, 5 lapis dan 7 lapis. Karakterisasi sifat optik dilakukan pada cahaya tampak dengan menggunakan UV-VIS Spektrometer, sedangkan karakteristik sifat listrik menggunakan I-V Meter El Kahfi dalam kondisi gelap dan dibawah penyinaran. Karakterisasi sel surya organik diukur dengan menggunakan Keithley 2602. Sel surya organik diukur diuji karakteristik I-V dibawah pencahayaan dengan intensitas sebesar 1000 watt/m2 dengan menggunakan sumber cahaya xenon pada luas area 10 mm2. Berdasarkan hasil yang diperoleh sel surya organik dengan 7 lapis P3HT menunjukkan hasil karakteristik I-V yang terbaik dibandingkan ketebalan lapisan P3HT lainnya.
Kata Kunci: sel surya organik, P3HT, klorofil, spin coating.
PENDAHULUAN
Pengembangan sel surya dengan bahan organik telah dimulai, akan tetapi efisiensi devais sel surya dengan bahan organik tersebut masih rendah. Rendahnya
efisiensi sel surya organik disebabkan oleh panjang difusi exiton Ld.(Yakimov,
2002). Parameter ini lebih mendominasi dibandingkan dengan serapan absorbansi optik. Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi sel surya organik dapat dilakukan dengan memperhatikan fenomena disosiasi dari exciton di daerah aktif. Bila terjadi disosiasi dari exciton,
--- *Coresponding author:
154
maka akan terbentuk pasangan elektron dan hole yang dapat memberikan kontribusi terhadapat peningkatan efisiensi sel surya. Selain itu usaha peningkatan efisiensisel surya dapat dilakukan dengan memperlebar daerah aktif termasuk didalamnya menyisipkan polimer blend konjugasi dengan luasan yang besar.(Stubinger and Brutting, 2001)
Penggunaan polimer terkonjugasi dalam sel surya telah banyak dilakukan dengan berbagai macam kajian teoritis, sintesis dan pencarian material baru dilakukan untuk meningkatkan efisiensi konversi daya dan performanya agar lebih baik lagi. Salah satu polimer yang banyak dikaji sebagai bahan aktif sel surya adalah P3HT. Polimer poli(3-heksiltiofen) atau P3HT merupakan material yang banyak dikaji sebagai bahan aktif sel surya polimer, karena memiliki struktur
regio-reguler (RR) yang mampu menghasilkan
konduktivitas listrik yang tinggi, mudah larut dalam pelarut organik biasa, dan dapat dibuat dalam bentuk film tipis dengan teknik sederhana, seperti
spin-coating, dip-spin-coating, inkjet printing dan roll-to-roll printing. (A. Bahtiar, dkk,
2011). Selain itu juga poli (3-hexylthiophene) (P3HT) mempunyai mobilitas pembawa muatan yang tinggi.(Hugger, et al, 2004).
Material organik alam klorofil dari
Spirulina sp telah memenuhi karakteristik
sebagai bahan aktif pada sel surya (Sumaryanti, dkk, 2011). Syarat agar bahan tersebut sebagai bahan aktif sel surya yaitu bahan tersebut harus mampu menjadi medium transfer pembawa muatan listrik sebagai akibat foton yang diserap (A. Supriyanto, dkk, 2010). Karakterisasi sifat optik dan listrik dari larutan klorofil dari bahan bayam dan mikroalga Spirulina telah dilakukan. Nampak, klorofil dari bahan mikroalga
Spirulina mempunyai sifat sentizer yang
lebih baik dibandingkan dengan bayam.
(A. Supriyanto, dkk, 2007). Maka dari itulah penelitian ini menggunakan bahan aktif klorofil yang diekstrak dari Spirulina
sp dengan diisolasi melalui metode
kromatografi kolom.
Kegiatan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah fabrikasi divais sel surya organik dengan struktur FTO/Pedot:PSS/P3HT/Klorofil/Al beserta karakterisasinya.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh jumlah lapisan P3HT sebagai bahan aktif sel surya organik yang terdiri dari tiga tahapan yaitu ekstraksi larutan klorofil dari Spirulina sp, karakterisasi larutan P3HT, dan fabrikasi sel surya organik.
Larutan klorofil diambil dari hasil isolasi ekstraksi Spirulina sp dengan pelarut aseton. Hasil ekstraksi Spirulina sp kemudian diisolasi dengan menggunakan metode kolom kromatografi. Hasil dari isolasi kemudian diuji karakteristik sifat optik dan listriknya.
Larutan P3HT dibuat dengan 3 macam konsentrat 0,1%; 0,5%; dan 1% dengan pelarut klorobenzen. Hasil larutan P3HT kemudian dikarakteristik sifat optik dan sifat listriknya.
Gambar 1. Struktur sel surya organik
FTO/Pedot:PSS/P3HT/Klorofil/ Al
155 Sel surya dibuat dengan struktur
seperti pada Gambar 1. Lapisan FTO
(Fluorine Thin Oxide) berfungsi sebagai
anoda, lapian Pedot:PSS berfungsi sebagai
blocking area dan lapisan Al sebagai
katoda. Bahan aktif P3HT dan Klorofil ditumbuhkan dengan menggunakan metode spin coating. Kaca FTO dengan ukuran 1,5 x 2,5 cm dibuat pola larik berukuran 5 mm agar menghindari kontak ohmmik. Untuk fabrikasi device sel surya FTO dengan resistansi 30 ohm dibersihkan dengan menggunakan
ultrasonic cleaner. Pedot:PSS dilapiskan
diatas kaca FTO dengan menggunakan metode spin coating. Lapisan selanjutnya adalah bahan aktif P3HT yang dideposisikan dengan kecepatan putar 2500 rpm selama 10 detik, kemudian dianneling pada suhu 60oC selama 10 menit.
Sebagai lapisan akseptor, larutan klorofil dideposisikan diatas lapisan P3HT sebanyak 3 lapis dengan kecepatan putar 2500 rpm selama 20 detik dan dianneling pada suhu 75oC. Elektroda alumunium dibuat dengan tehnik
evaporasi termal. Area aktif dari device
sel surya berukuran 10 mm2. Karekterisasi arus dan tegangan dilakukan dengan
menggunakan Keithley dibawah
penyinaran dan tanpa penyinaran. Sumber cahaya menggunakan lampu xenon dengan intensitas sebesar 1000watt/m2 diukur dengan menggunakan solar power meter.
HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstraksi Larutan Klorofil
Dari hasil isolasi ekstraksi Spirulina
sp dengan menggunakan metode kolom
kromatografi didapatkan 3 fraksi warna larutan klorofil yaitu hijau pekat, hijau dan hijau kekuning-kuningan.
Berdasarkan hasil uji karakterisasi optik Gambar 2 menunjukkan sampel Sp
2 dan Sp 3 menyerupai spektrum absorbansi klorofil yang menunjukkan 2 puncak dibandingkan sampel Sp 1. Pada sampel Sp 2, puncak pertama pada panjang gelombang 425 nm dan puncak kedua pada 662 nm. Sedangkan sampel Sp 3 memiliki puncak pada panjang gelombang 410 nm dan 667 nm.
Pada Sp 3 terjadi puncak absorbansi lebih rendah dari pada Sp 1 dan Sp 2
yang menunjukkan kemampuan
absorbansi yang lebih rendah. Penurunan kemampuan absorbansi pada sampel ini dikarenakan kadar klorofil Sp 3 lebih rendah dibanding yang lainnya yang ditunjukkan dari warna larutan tersebut. Meskipun demikian, kemampuan mengabsorbsinya rendah namun pada sampel ini muncul konsistensi yakni dua puncak pada spektrum absorbansinya.
Sampel yang memiliki kandungan klorofil optimum berarti memiliki jumlah molekul penyerap foton maksimal. Energi foton tersebut dapat dikonversi menjadi energi elektrik pada aplikasi sel surya. Berdasarkan hasil pengamatan dan analisis grafik absorbansi yang diperoleh maka dapat diungkapkan bahwa Sp 2 adalah sampel yang terbaik pada isolasi ini.
156
Untuk mengkonfirmasi kinerja larutan klorofil sebagai bahan aktif sel surya organik, dilakukan juga karakterisasi sifat listriknya. Hal ini dilakukan untuk melihat respon larutan terhadap cahaya yang terungkap dari konduktivitas bahan. Klorofil hasil isolasi ini digunakan sebagai bahan aktif pada sistem sel surya harus mampu mengalirkan listrik dan memiliki perbedaan pada kondis gelap dan terang.
Karakteristik sifat listrik larutan klorofil ditunjukkan dari grafik I-V pada
Gambar 3 untuk pengujian tanpa
diberikan penyinaran dan Gambar 4 untuk pengujian dibawah penyinaran. Pengukuran sifat listrik menggunakan alat El-kahfi I-V meter dengan metode two
point probe. Dari grafik hubungan I-V
yang didapatkan, digunakan untuk menentukan nilai konduktivitas bahan larutan klorofil.
Berdasarkan grafik yang diperoleh, perbedaan kemampuan larutan klorofil
dalam mengabsorbsi cahaya
mempengaruhi kemampuannya dalam mengalirkan elektron. Hal ini ditunjukkan pada hasil pengujian I-V larutan. Pada Gambar 3 menunjukkan hasil pengujian tanpa penyinaran sedangkan pada Gambar 4 menunjukkan hasil pengujian dibawah penyinaran. Hasil pengujian tanpa penyinaran memperlihatkan bahwa arus yang dihasilkan lebih rendah daripada pengujian dibawah penyinaran. Berdasarkan hasil tersebut menunjukkan bahwa sampel Sp 1 menghasilkan arus yang paling tinggi dalam keadaan gelap maupun terang.
Sedangkan perbandingan nilai konduktivitas bahan dari ketiga sampel tersebut ditunjukkan pada Tabel 1. Sampel Sp 1 memiliki nilai konduktivitas yang paling besar diikuti dengan sampel Sp 2 dan kemudian Sp 3. Semakin besar nilai konduktivitasnya maka bahan tersebut semakain bagus untuk
diaplikasikan sebagai bahan aktif sel surya.
Berdasarkan karakteristik sifat optik dan sifat listriknya didapatkan bahwa sampel Sp 2 adalah sampel yang terbaik untuk diaplikasikan sebgai bahan aktif sel surya karena selain memiliki spektrum panjang gelombang klorofil yang terdiri dari 2 puncak juga memiliki kemampuan absorbansi dan konduktivitaas yang tinggi.
Gambar 3. Grafik I-V larutan klorofil dalam
kondisi gelap
Gambar 4. Grafik I-V larutan klorofil dalam
kondisi terang
Tabel 1. Nilai perbandingan konduktivitas larutan
klorofil Sampel Gelap (ohm-1.m-1) Terang (ohm-1.m-1) Sp 1 1.88E-06 5.59E-05 Sp 2 9.56E-07 2.79E-05 Sp 3 6.21E-07 2.09E-05
157
Karakteristik P3HT
Larutan P3HT dibuat dengan melarutkan P3HT dengan pelarut klorobenzen selama 20 menit dengan konsentrat 0,1%; 0,5%; dan 1%. Larutan tersebut kemudian diuji dengan menggunakan spektrometeri UV-VIS pada rentang panjang gelombang sinar tampak yaitu 350-800 nm.
Pada Gambar 5. menunjukkan spektrum absorbansi P3HT dimana P3HT memiliki range panjang gelombang 450-650 nm. Dari grafik tersebut juga menunjukkan bahwa P3HT dengan konsentrat 1% memiliki kemampuan mengabsorbsi cahaya lebih besar daripada yang lainnya. Sedangkan hasil karaterisasi sifat listrik ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.
Gambar 5. Spektrum absorbansi P3HT
Gambar 6. Grafik I-V P3HT dalam kondisi gelap
Gambar 7. Grafik I-V P3HT dalam kondisi terang Tabel.2. Nilai perbandingan konduktivitas P3HT
Konsentrat P3HT Gelap (ohm-1.m-1) Terang (ohm-1.m-1) 0.1 % 1.84E-06 1.24E-05 0.5 % 4.92E-06 1.50E-05 1 % 6.73E-06 3.03E-05
Berdasarkan grafik dapat dilihat bahwa dari ketiga sampel konsentrat P3HT akan mengalami kenaikan arus secara linear jika dikenai respon cahaya. Hal ini membuktikan bahwa larutan P3HT dapat diaplikasikan dalam sistem sel surya
yang mempunyai prinsip akan
memberikan respon jika dikenai cahaya penyinaran. Selain itu juga dapat dilihat bahwa nilai konduktivitas terbesar adalah larutan P3HT yang memiliki konsentrat 1 % seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 2.
Karakteristik I-V Sel Surya
Untuk mengetahui kinerja sel surya organik, dilakukan karakterisasi dengan melakukan pengukuran I-V pada keadaan terang. Dari grafik I-V yang dibuat, dapat dilihat besarnya arus saat hubungan pendek ( short current) Isc, tegangan
terbuka (open circuit) Voc, dan efisiensi
sel surya organik.
Grafik dari karakteristik sel surya organik dengan struktur FTO/Pedot:PSS/
158
Gambar 8. Grafik Karakteristik sel surya dibawah
penyinaran
P3HT/Klorofil/Al dalam keadaan disinari lampu xenon dengan intensitas 1000 W/m2 ditunjukkan pada Gambar 8. Luas area sel surya adalah 10 mm2.
Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa sel surya organik dengan 7 lapis P3HT terlihat memiliki bentuk grafik di kuadran yang sesuai dengan grafik karakteristik dari sel surya. Sedangkan sel surya
dengan variasi yang lainnya
dimungkinkan karena tipisnya lapisan P3HT yang terbentuk dan tingkat kerataan dari lapisan P3HT yang kurang homogen. Saat material dengan hubungan donor-akseptor dikenai seberkas cahaya maka akan terjadi penambahan arus electron. Akan terjadi pergeseran pita valensi dan konduksi diantara kedua lapisan P3HT dan klorofil sehingga menyebabkan arus mengalir.
Nilai efisiensi konversi daya sangat dipengaruhi oleh besarnya ISC. Semakin
besar ISC efisiensinya semakin besar. Jika
ditelusuri, ISC merupakan rapat arus yang
muncul dalam divais sel surya, ketika divais mendapat pemaparan cahaya tanpa diberi tegangan panjar maju maupun tegangan balik atau berada di kuadran IV. Pada sel surya organik dengan 7 lapisan P3HT menghasilkan arus saat hubungan pendek (short current) Isc 2.69
x 10-2 mA dan tegangan terbuka (open
circuit) Voc 250 mV. Sedangkan
effisiensinya mencapai 1.95 x 10-2%. Dengan meningkatnya jumlah lapisan P3HT, peluang pembentukan exciton pada donor (P3HT) semakin meningkat. Semakin banyak exciton terbentuk, maka semakin banyak exciton yang berdifusi dan melakukan migrasi yang akhirnya berdisosiasi menjadi pasangan elektron-hole. Semakin banyak pasangan elektron hole yang dibangkitkan dan mampu mencapai masing-masing elektroda semakin besar sehingga arus yang mengalir dalam divais.
KESIMPULAN
Bahan organik klorofil dari Spirulina sp dan polimer P3HT memiliki potensi untuk dijadikan sebagai bahan aktif sel surya. Peningkatan nilai arus saat dilakukan penyinaran menunjukkan klorofil memiliki respon terhadap cahaya. Selain itu juga klorofil dan P3HT mempunyai kemampuan mengabsorpsi cahaya tampak dimana tingkat konsentrasi
mempengaruhi dalam kemampuan
mengabsorpsi cahaya tampak.
Sel surya organik berbasis P3HT dan klorofil telah dibuat dengan variasi ketebalan lapisan dari P3HT. Ketebalan lapisan P3HT menunjukkan pengaruh terhadap karakteristik I-V sel surya organik. Sel surya organik dengan 7 lapis P3HT menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan sel surya organik dengan jumlah lapisan yang lainnya.
DAFTAR PUSTAKA
A. Bahtiar, A. Aprilia, Fitrillawati. (2011). Sel surya Polimer: state of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Pajajaran. Jurnal Material dan Energi
Indonesia. 01: 7 – 14 A rus (A m pe re )
Tegangan (Volt) 1 lapis
3 lapis 5 lapis 7 lapis
159 A. Supriyanto, Kusminarto, K. Triyana,
Roto. (2007). Optical and Electrical Characteristics of Chlorophyll-Porphyrins Isolated from Spinach and Spirulina Microalgae for Possible Use as Dye Sensitizer of Optoelectronic Devices.
International Conference On Chemical Sciences.
A. Supriyanto, Kusminarto, K. Triyana, Roto, M.M. Salleh dan A.A.Umar. (2010). Photosensitizing Effect of Porphyrin Films as Organic Photodetector. Journal
of Materials Science and Engineering. 04:
40 - 44
A. Yakimov. (2002). High Photovoltage Multiple-heterojunction Organic Solar Cell Incorporating Interfacial Metalic Structure. Appl. Phys Lett. 80: 1667 - 1669
Sumaryanti, Utari, A. Supriyanto, B. Purnama. (2011). Karakterisasi Optik dan Listrik Larutan Klorofil Spirulina Sp sebagai Dye Sensitized Solar Cell. Jurnal
Material dan Energi Indonesia. 01: 141 -
147
S. Hugger, R.Thomann, T. Heinzel, T. Thurn-Albrecht. (2004). Semicrystalline Morphology in Thin Films of Poly(3-hexylthiophene), Colloid Polym Sci. 932-938
T. Stubinger, and W. Brutting, (2001), Exciton Diffusion and Optical Interference in Organic Donor-AceptorPhotovotaic Cells, J. Appl.
