Disusun oleh : LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI M

(1)

i

KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO

2

NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI

HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)

Disusun oleh :

LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI

M0312038

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi

KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO

2

NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI

HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)

LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI NIM. M0312038

Skripsi ini dibimbing oleh :

Pembimbing I Pembimbing II

Dr. Sayekti Wahyuningsih, M. Si Prof. Ir. Ari H. Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D NIP. 19711211 199702 2 001 NIP. 19610223 198601 1 001

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari : Selasa

Tanggal : 7 Juni 2016 Anggota Tim Penguji :

1. Prof. Dra. Neng Sri Suharty, M.S., Ph.D 1. ………...

NIP. 19490816 198103 2 001

2. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si 2. ………... NIP. 19740419 200003 2 001

Disahkan oleh Kepala Prodi Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si NIP. 19730124 199903 2 001

(3)

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n

JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN

CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)” adalah

benar-benar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, Juli 2016

(4)

iv

KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO

2

NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI

HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)

LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI

Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian mengenai kenerja Solid State Dye Sensitized Solar Cell (SSDSSC) berbasis pn junction dengan TiO2 nanorods sebagai fotoanoda dan

CuSCN sebagai hole transport material (HTM). TiO2 nanorods disintesis dengan

tahapan mekanikakimia ball milling pada kecepatan 1000 rpm selama 5 jam dan hidrotermal perlakuan basa kuat NaOH 12 M pada suhu 150 o_{C selama 24 jam}

dengan variasi kalsinasi pada suhu 400, 500, dan 600 o_{C. Sintesis CuSCN}

membutuhkan kation Cu(I) sebagai ion Cu yang dihasilkan dari pembentukan kompleks ion Cu(II) dengan Na2S2O3 dan anion KSCN sebagai sumber ion

tiosianat. CuSCN disintesis dengan variasi konsentrasi prekursor CuSO4.5H2O,

Na2S2O3, dan KSCN. CuSCN berperan dalam regenerasi elektron-hole sebagai hole transport material (HTM) dengan mekanisme hopping pada SSDSSC.

Material dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron

Microscope (SEM), dan Transmission Electron Microscope (TEM). Perlakuan

mekanikakimia ball milling menunjukkan adanya transormasi fase TiO2 dari anatase menjadi brookite, sedangkan proses hidrotermal menunjukkan adanya

fase anatase, brookite, dan rutile pada suhu kalsinasi 400 oC. Pada suhu kalsinasi 500 dan 600 oC terdiri dari dua fase brookite dan rutile. Perubahan transformasi TiO2 ke bentuk nanorods ditunjukkan oleh bentuk batang-batang oleh mikrograf

TEM dan meningkatkan luas permukaan material TiO2 menjadi 111, 859 m2/g.

Celah pita CuSCN yang dihasilkan yaitu 3,4- 4,68 eV dan serapan absorbansi pada daerah UV 200-300 nm yang mengindikasikan bahwa CuSCN bersifat transparan. Nilai konduktivitas optimum yaitu 1,27 x 10-4_S.m-1_{yang dihasilkan oleh CuSCN}

A. CuSCN sebagai HTM dan rekayasa struktur fotoanoda TiO2 nanorods mampu

memberikan efisiensi dengan hasil optimum pada penggunaan CuSCN A sebesar 0,097%.

(5)

v

PERFORMANCE OF SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (SSDSSC) BASED ON pn JUNCTION WITH TiO2 NANORODS AS PHOTOANODE AND CuSCN AS HOLE TRANSPORT MATERIAL

(HTM)

LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI

Departement of Chemsitry, Mathematics and Natural Science Faculty, Sebelas Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126

ABSTRACT

Performance of Solid State Dye Sensitized Solar Cells (SSDSSC) based on pn jucntion with TiO2 nanorods as photoanode and CuSCN as hole transport material

(HTM) have been studied. Synthesis of nanorods TiO2 was conducted through

mechanochemical of ball milling at speed of 1000 rpm for 5 hours and strong base NaOH 12 M reaction by hydrothermal at 150 o_{C overnight on variation calcination at}

400, 500, and 600 oC. Synthesis of CuSCN requires the Cu(I) cations as a copper ions source which is obtained by complexing Cu(II) ions using Na2S2O3. The anion

source KSCN as thiocyanate ions. CuSCN was synthesized on variation concentration of CuSO4.5H2O, Na2S2O3, and KSCN precursors. Material

characterization were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), and Transmission Electron Microscope (TEM). Mechanochemical treatment by ball milling showed phase transformation of TiO2

from anatase to brookite, while strong base reaction by hydrothermal showed the presence of anatase, brookite, and rutile phase for calcination up to 400 o_{C. The}

diffraction pattern of calcination at 500 and 600 oC contains peaks of both brookite and rutile phase. Morphology transformation of TiO2 to form nanorods TiO2 was

showed by rod-shaped from TEM micrographs and increase surface area into 111,859 m2_{/g. CuSCN bandgap was obtained 3,4-4.68 eV and absorption in the UV}

absorbance of 200-300 nm indicating that was formed transparent CuSCN. The optimum conductivity value of 1.27 x 10-4 S.m-1 produced by CuSCN A. CuSCN as HTM and engineering structure of TiO2 nanorods as photoanode able to provide

optimum efficiency of SSDSSC up to 0.097%.

(6)

vi

MOTTO

“Ilmu itu tidaklah didapatkan dengan jasad yang santai (HR.Muslim). Maka bersabarlah dalam menuntut ilmu. Karena sesungguhnya bersama kesulitan ada

(7)

vii

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan untuk : 1. Kedua orang tua bapak dan ibu

2. Adik-adikku 3. Rekan penelitian “Rombongan 2012” 4. Teman - teman jurusan kimia angkatan 2012

(8)

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat, karunia, dan ijin-Nya sehingga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.

Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1

2. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc. (Hons), P.hD selaku Pembimbing 2

3. Ibu Dr. Triana Kusumangsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia FMIPA UNS

4. Ibu Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku Pembimbing Akademis

5. Ibu Dr. Khoirina Dwi N., M.Si selaku ketua Laboratorium Kimia FMIPA UNS.

6. Bapak dan Ibu dosen Kimia FMIPA UNS 7. Semua pihak yang telah membantu.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin

Surakarta, Juli 2016

(9)

ix

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENGESAHAN ... ii

HALAMAN PERNYATAAN ... iii

HALAMAN ABSTRAK ... iv

HALAMAN ABSTRACT ... v

HALAMAN MOTTO ... vi

PERSEMBAHAN ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR SIMBOL ... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ... xv BAB I PENDAHULUAN ... 1 A. Latar Belakang ... 1 B. Perumusan Masalah ... 7 C. Tujuan Penelitian ... 7 D. Manfaat Penelitian... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 8

A.Tinjauan Pustaka ... 8

1. Semikonduktor tipe-n, tipe-p, dan pn junction ... 8

2. Solid state dye sensitized solar cell (SSDSSC) ... 10

4. Komponen SSDSSC ... 13

5. Semikonduktor Tipe-p CuSCN sebagai HTM pada SSDSSC . 15

6. Semikonduktor Tipe-n TiO2 sebagai fotoanoda pada SSDSSC 17

7. Analisis Instrumen ... 22

B. Kerangka Pemikiran ... 31

(10)

x

BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 34

A. Metodologi Penelitian ... 34

B. Waktu dan Tempat Penelitian ... 34

C. Bahan dan Alat ... 35

1. Alat ... 35

2. Bahan ... 35

D. Prosedur Penelitian ... 36

1. Sintesis CuSCN ... 36

2. Sintesis TiO2 nanorods ... 36

3. Pembentukan senyawa kompleks sebagai dye ... 37

4. Fabrikasi DSSC ... 37

5. Teknik Pengumpulan Data ... 39

6. Analisis Data ... 39

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 42

A. Sintesis CuSCN ... 41

B. Sintesis TiO2 nanorods ... 47

C. Uji Performa SSDSSC ... 54 BAB V PENUTUP ... 58 A. Kesimpulan ... 58 B. Saran ... 58 DAFTAR PUSTAKA ... 59 LAMPIRAN ... 68

(11)

xi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Ilustrasi level energi elektron pada semikonduktor ekstrinsik (a)semikonduktor tipe-n (b) semikonduktor tipe-p. ECB, EVB, Eg, EF menunjukkan energi pita

konduksi, pita valensi, celah pita, dan Fermi ... 9

Gambar 2. Diagram pita energi pn juction pada kesetimbangan termal. Ec, EF, Ei, Ev menunjukkan energi pita konduksi, fermi, instrinsik, dan valensi ... 10

Gambar 3. Proses elektronik pada SSDSSC ... 12

Gambar 4. Contoh nilai celah pita CuSCN ... 16

Gambar 5. Struktur Kristal TiO2 (a) anatase (b) rutile (c) brookite 18

Gambar 6. Ilustrasi pergerakan elektron (a) TiO2 nanopartikel (b) TiO2 1 dimensi ... 19

Gambar 7. Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu kalsinasi 400 hingga 800 °C ... 21

Gambar 8. Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu kalsinasi 400 hingga 1000 °C ... 22 Gambar 9. Contoh pola difraktogram TiO2 ball milling pada variasi kecepatan 400, 500, 600 rpm hasil Rietvield refinement ... 24

Gambar 10. Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada sampel ... 25

Gambar 11. Morfologi TEM material TiO2 ... 27

Gambar 12. Spektrum UV-Vis kompleks Fe-polipiridil ... 29

Gambar 13. Penentuan celah pita energi CuSCN ... 29

Gambar 14. Skema ilustrasi lapis tipis TiO2 ... 38

Gambar 15. Pola difraktogram X-Ray (a) standar JCPDS α & β CuSCN (b) CuSCN A (c) CuSCN B (d) CuSCN C ... 42

(12)

xii

Gambar 16. Pola difraktogram hasil proses Rietvield refinement CuSCN ...

44

Gambar 17. Morfologi SEM CuSCN A, B, dan C ... 44 Gambar 18. Spektra absorbansi (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)

CuSCN C ... 45 Gambar 19. Nilai celah pita (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)

CuSCN C ... 46 Gambar 20. Spektra konduktivitas (—) CuSCN A (—) CuSCN B

(—) CuSCN C... 47 Gambar 21. Pola difraktogram X-Ray (a) Standar JCPDS No.

76-2486 fase brookite (b) Standar JCPDS No. 76-1934 fase anatase (c) TiO2 teknis (d) TiO2 hasil milling.

A=anatase, B=brookite. 48

Gambar 22. Skema mekanisme reaksi pembentukan TiO2 ... 50

Gambar 23. Pola difraktogram X-Ray TiO2 hasil hidrotermal

dengan variasi kalsinasi (a) 400, (b) 500, dan (c) 600

°C. A: anatase, B: brookite, R: rutile ... 50 Gambar 24. Morfologi TEM pada TiO2 nanorods diperoleh dari

proses hidrotermal dan kalsinasi 600 °C. ... 53 Gambar 25. (a) Spektra UV-Vis (—)TiO2 (—) TiO2 dye (—) TiO2

tersensitasi dye (b) Ilustrasi TiO2 tersensitasi dye

kompleks Fe(dcbq)(bpy) ...

54

(13)

xiii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Persentase fase TiO2 proses milling ... 24

Tabel 2. Konsentrasi masing-masing prekursor dalam pembentukan CuSCN ... 36

Tabel 3. Hasil proses Rietvield Refinement CuSCN. Rwp = R-bobot pola difraksi, Rp = R-reabilitas, dan GOF = goodnes-of-fit .. 43

Tabel 4. Persentase fase CuSCN A, B, dan C ... 43

Tabel 5. Ukuran kristal CuSCN A, B, dan C ... 44

Tabel 6. Ukuran kristal TiO2 teknis dan hasil proses milling ... 48

Tabel 7. Ukuran kristal TiO2 pada variasi suhu kalsinasi ... 52

Tabel 8. Persentase fase TiO2 pada variasi suhu kalsinasi ... 52

Tabel 9. Luas permukaan TiO2 hasil proses milling dan nanorods 53 Tabel 10. Karakteristik kinerja SSDSSC ... 56

(14)

xiv

DAFTAR SIMBOL

𝐴 luas penampang material

A konstanta celah pita

𝐴_𝐴 intensitas tertinggi fase anatase 𝐴_𝐵 intensitas tertinggi fase brookite 𝐴𝑅 intensitas tertinggi fase rutile

B lebar dari setengah puncak difraksi maksimum

𝐷 ukuran kristal

Eg celah pita

h konstanta Plack

η efisiensi

Ipp arus maksimum

Isc arus pendek yang terukur

k konstanta proporsionalitas

𝑘_𝐴 koefisien anatase

𝑘_𝐵 koefisien brookite

𝑙 tebal pellet

λ panjang gelombang

Pin sumber sinar yang diberikan

𝜌 massa jenis

θ sudut Bragg

𝑅 resistivitas

𝜎 konduktivitas

Voc voltase rangkaian terbuka yang terukur

Vpp voltase maksimum

ν kecepatan cahaya

𝑊𝐴 persentase fase anatase

𝑊_𝐵 persentase fase brookite

(15)

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Standar JCPDS TiO2 ... 68

Lampiran 2. Perhitungan ukuran kristal ... 70

Lampiran 3. Perhitungan persentase fase TiO2 ... 74

Lampiran 4. Nilai konduktivitas CuSCN ... 75