Fabrikasi
Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC) Dengan Memanfaatkan
Ekstrak
Terminalia bellirica,
Cinnamomum verum, dan
Bixa orellana
Sebagai Fotosensitizer
ASHARIBAYUPRASADA1), CARI2,*), AGUSSUPRIYANTO2), SRISUMARDIASIH3)
Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret. Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Surakarta
E-mail: asharibayu01@gmail.com TEL: 085254893515
ABSTRAK: Telah dilakukan pembuatan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan
memanfaatkan ekstrak Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana sebagai
fotosensitizer. Sel surya tersensitisasi dye ini terdiri dari sepasang substrat kaca FTO yang
saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan
dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-,I3-) yang kemudian disusun dengan struktursandwich.Pada
elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi
dye sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada counter elektroda dilapisi dengan lapisan
platina. Proses ekstraksi dye dilakukan dengan melarutkan 10 gram bahan ke dalam campuran
pelarut ethanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan (25:4:21). Uji absorbansi dye
menggunakan Spektrofotometer UV-Visible Lambda25, uji konduktivitasdyemenggunakantwo
point probe ElKahfi 100, dan uji karakterisasi arus dan tegangan (I-V) DSSC menggunakan
Keithley 2602A. Hasil pengujian menunjukkan bahwa efisiensi terbesar 0,026% terdapat pada
dye Terminalia bellirica.
Kata Kunci:Terminalia bellirica,Cinnamomum verum, Bixa orellana, Fotosensitizer.
PENDAHULUAN
Sel surya nanokristal semikonduktor TiO2tersensitisasi dyedikembangkan sebagai konsep alternatif bagi piranti fotovoltaik konvensional berbasis p-n silikon. Sistem sel surya ini pertama kali dikembangkan oleh Gratzel et al. sehingga disebut sel Gratzel. Beberapa keuntungan sistem sel surya tersensitisasi dye ini adalah proses fabrikasinya lebih mudah dan sederhana tanpa menggunakan peralatan canggih dan mahal sehingga biaya pembuatannya dapat ditekan (Huanget al., 2007). Disamping itu, bahan dasarnya (seperti TiO2) mudah diperoleh di pasaran dengan harga relatif murah. Pada penelitian yang pernah dilakukan, dye (pewarna) dari ruthenium complex menghasilkan efisiensi lebih dari 10%. Tetapi sangat mahal dan tidak mudah dipreparasi sebagai material aktif sel surya. Sehingga diperlukan zat pewarna alami yang nilai serapannya tinggi untuk menggantikan ruthenium complex tersebut. Karakterisasi penting dari bahan dye yang digunakan yaitu mampu menyerap spektrum cahaya yang lebar dan cocok dengan pita energi TiO2(Rahman dan Prajitno, 2013).
Baru-baru ini, penelitian telah difokuskan pada pewarna yang mudah diperoleh di alam sebagai fotosensitizer karena koefisien penyerapan yang besar, efisiensi pemanenan cahaya yang tinggi, biaya rendah, keramahan persiapan dan lingkungan yang mudah. Penelitian berkembang ke arah pencarian pewarna alami yang diekstrak dari bunga, daun, dan buah-buahan (Zhou et al., 2011). Adapun pada penelitian ini digunakan kulit joho (Terminalia bellirica), kayu manis (Cinnamomum verum), dan kesumba (Bixa orellana) yang telah diekstrak dan dikarakterisasi nilai absorbansinya. Dengan harapan dapat dijadikan sebagai tolak ukur dalam pemanfaatanya sebagai dye
sensitizer pada sel surya organik.
Sel surya TiO2 tersensitisasi dye terdiri dari lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda,dyesebagai sensitizer, elektrolit redoks, dan elektroda lawan (katoda) yang diberi lapisan katalis. Struktur sel surya tersensitisasi dye berbentuk struktur
tersensitisasi dye ditunjukkan secara skematik pada Gambar 1. Ketika foton dengan energi lebih besar daripada jarak level HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dan level LUMO (Lower Unoccupied Molecular Orbital) pada molekul dye, mengakibatkan elektron tereksitasi ke level HOMO dan menghasilkan dye teroksidasi (D*) pada level LUMO. Elektron-elektron tersebut terinjeksi ke pita konduksi TiO2 dan mengalir menuju rangkaian luar sehingga menghasilkan arus listrik. Dye yang teroksidasi mengakibatkan reaksi oksidasi iodide (I-) menjadi triiodida (I3-) di dalam elektrolit. Elektron-elektron selanjutnya masuk kembali ke dalam sel melalui elektroda lawan dan menginduksi reaksi reduksi triiodida (I3-) menjadi iodide (I-) di dalam sel. Secara keseluruhan, prinsip TiO2 tersensitisasi dye melibatkan beberapa reaksi kimia secara berkesinambungan hingga membentuk siklus (Smestad dan Gratzel, 1998):
Gambar 1. Skema prinsip kerja sel surya TiO2tersensitisasidye(Irmansyah, 2008) Ketika sel surya dikenai cahaya, maka akan memiliki karakteristik arus dan tegangan seperti pada Gambar 2. Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya untuk memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban pada waktu yang sama.
Gambar 2. KurvaI-VSel Surya (Soga, 2006)
maksimum atau arus short-circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisiopen-circuit
tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut tegangan open-circuit(Voc). Titik pada kurvaI-Vyang menghasilkan arus dan tegangan
maksimum disebut titik daya maksimum (Pmax). Karakteristik lain dari sel surya adalah
Fill Factor(FF) yaitu perbandingan antara daya maksimum terhadap daya teoritis.
FF= (1)
Sementara nilai efisiensinya diperoleh dari perbandingan antara daya maksimum dengan daya masukan dari sel surya
= = ( ) (2)
Nilai efisiensi ini menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi sel surya. Efisiensi dari sel surya tergantung pada temperatur dari sel dan yang lebih penting lagi adalah kualitas illuminasi. Kondisi standar yang digunakan untuk menguji sel surya dengan intensitas cahaya 1000 W/m2 distribusi spektrum dari pancaran matahari (Green dan Martin, 1982).
METODE PENELITIAN
1. Pembuatan Pasta TiO2Nano
TiO2 serbuk nano sebanyak 0,5 gram dilarutkan dalam 2 ml ethanol kemudian diaduk menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Pasta TiO2yang sudah terbentuk dimasukkan ke dalam botol yang dilapisi aluminium foil dan disimpan pada tempat yang terhindar dari sinar matahari secara langsung untuk mengurangi proses penguapan.
2. Pembuatan Ekstrak Organik Alam
Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana masing-masing
ditimbang menggunakan timbangan digital sebanyak 10 gram. Selanjutnya masing-masing bahan digerus dan dihaluskan menggunakan mortar. Masing-masing-masing bahan yang sudah halus dilarutkan ke dalam campuran pelarut ethanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan (25:4:21) kemudian diaduk selama 60 menit menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan putar 300 rpm pada suhu 60OC. Setelah bahan terlarutkan, lalu didiamkan selama 24 jam dan disaring menggunakan kertas saring no.42. Hasil ekstraksi disimpan dalam wadah tertutup dan terlindung dari sinar matahari.
3. Pembuatan Elektrolit
Natrium iodide (NaI) sebanyak 2 gram berbentuk padatan dicampur ke dalam 3,68 ml acetonitrile ditambah 1 ml Propylene carbonate. Kemudian dalam larutan tersebut ditambahkan 14,56 ml Polyethylene glycol kemudian diaduk, selanjutnya ke dalam larutan tersebut ditambahkan Iodine (I2) sebanyak 0,2 gram kemudian diaduk menggunakan vortex stirrer dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Larutan elektrolit yang sudah jadi, disimpan dalam wadah tertutup yang dilapisi aluminium foil.
4. Pembuatan Elektroda Lawan
metode tetes. Kaca yang telah ditetesi platina kemudian didinginkan hingga mencapai suhu ruangan.
5. Pembuatan Elektroda Kerja
Elektroda kerja dibuat dari kaca konduktif FTO yang di atasnya dideposisikan pasta TiO2 nano dengan teknik spin coating. Pada kaca FTO berukuran 2 x 2 cm dibentuk area untuk pendeposisian TiO2 berukuran 1 x 1 cm di atas permukaan konduktif. Sisi FTO ditempel selotip sebagai pembatas. Pasta TiO2 diteteskan di atas kaca FTO yang sudah direkatkan di dalam spinner, kemudian distirrer dengan kecepatan 300 rpm dengan waktu yang sudah ditentukan. Kaca FTO yang telah terlapisi TiO2 tersebut dipanaskan menggunakan furnace pada suhu 450OC selama 30 menit, kemudian didinginkan sampai mencapai suhu ruangan.
6. PembuatanSandwichDSSC
Susunan lapisan DSSC terdiri dari sepasang substrat kaca FTO yang saling berhadapan. Kaca tersebut berperan sebagai elektroda dan counter elektroda dan dipisahkan oleh elektrolit redoks (I-,I3-) yang kemudian disusun dengan struktur
sandwich. Pada elektroda dideposisikan lapisan nanokristal TiO2 berpori sebagai fotoanoda, serta disensitisasi dye sebagai fotosensitizer sel surya. Sedangkan pada
counter elektrodadilapisi dengan lapisan platina.
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Spektrum absorbansi ekstrak organik alam
Sebelum bahan digunakan sebagai sensitizer, ekstrak Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, danBixa orellanadikarakterisasi menggunakan Spektrofotometer
UV-Visible Lambda25 dengan rentang panjang gelombang yang digunakan 300-800 nm.
0
300 400 500 600 700 800
Term inalia bellirica
Panjang G elom bang (nm )
Gambar 3. Kurva absorbansidye Terminalia bellirica,Cinnamomum verum, dan
Bixa orellana
Karakteristik konduktivitas dyediukur menggunakanElkahfi 100/I-V meterdalam keadaan gelap dan di bawah penyinaran 250 mW/cm2.
0
Gambar 4. Kurva konduktivitas (a)dye Terminalia bellirica, (b)dye Cinnamomum
verum, (c)dye Bixa orellana
Gambar 4 menunjukkan nilai konduktivitas dari dye Terminalia bellirica pada keadaan gelap sebesar 2,63 x 10-2 m-1dan menurun menjadi 9,53 x 10-3 m-1 pada keadaan disinari cahaya. Untuk dye Cinnamomum verum, nilai konduktivitas pada keadaan gelap 9,15 x 10-2 m-1 dan meningkat menjadi 1,06 x 10-1 m-1 pada keadaan disinari cahaya. Selanjutnya untuk dye Bixa orellana, nilai konduktivitas pada keadaan gelap 1,57 x 10-2 m-1dan menurun menjadi 1,33 x 10-2 m-1 pada keadaan disinari cahaya. Nilai konduktivitas dari dye Terminalia bellirica dan Bixa orellana
menurun pada saat disinari cahaya oleh karena resistansi larutan yang besar.
3. Karakteristik I-V DSSC
Karakterisasi arus dan tegangan (I-V) adalah suatu metode untuk mengetahui seberapa besar kemampuan DSSC dapat mengkonversi cahaya menjadi energi listrik. Pengukuran menggunakanKeithley 2602A dilakukan pada keadaan gelap dan terang di bawah penyinaran lampu halogen dengan intensitas 1000 W/m2. Hasil pengujian arus dan tegangan dengan perendaman selama 24 jam.
-0.001
Gambar 5. (a) Kurva I-V DSSCdyeorganik alam, (b)Fill FactorDSSCdyeorganik alam
Berdasarkan Gambar 5 (b) dapat dilihat bahwa luasan area sel surya (Fill Factor) terbesar terdapat padadye Terminalia bellirica, dengan nilai Vocpada 4,0 x 10-1mV dan
Cinnamomum verum, danBixa orellanadengan perendaman 24 jam dapat ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Performa sel surya menggunakandyeorganik alam
No. DyeSource VOC(mV) ISC(mA) VMax(mV) IMax(mA) (%)
1
Terminalia bellirica
4,0 x 10-1 1,52 x 10-4 2,65 x 10-1 9,97 x 10-5 0,026
2
Cinnamomum verum
2,30 x 10-1 7,9 x 10-5 1,40 x 10-1 4,5 x 10-5 0,002
3
Bixa orellana
4,45 x 10-1 1,15 x 10-4 3,10 x 10-1 7,15 x 10-5 0,022
Perolehan nilai efisiensi sel surya dapat dihitung menggunakan persamaan 2. Berdasarkan Tabel 1 dan Gambar 2, dapat disimpulkan bahwa performa DSSC terbaik terdapat pada penggunaan dye Terminalia bellirica dengan nilai efisiensi sebesar 0,026%. Secara keseluruhan, nilai efisiensi dari ketiga bahan organik yang digunakan masih sangat kecil (di bawah 1%). Ada dua cara yang dapat dilakukan untuk meningkatkan performa DSSC. Pertama, mengganti elektroda lawan dengan polyaniline (PANI), oleh karena PANI dapat meningkatkan efisiensi 6,90% dari penggunaan platina menjadi 7,15% (Qinghua et al., 2008). Kedua, menggunakan jenis elektrolit yang mempunyai nilai viskositas yang rendah dari polyethylene gycol seperti PEO polymer gel (Duangkaewet al., 2010).
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sel surya DSSC telah berhasil dibuat dengan memanfaatkan dye Terminalia bellirica, Cinnamomum verum, dan Bixa orellana sebagai fotosensitizer. Spektrum absorbansi dari ketiga bahan dye yang digunakan menunjukkan bahwa dye tersebut mampu menyerap cahaya pada rentang panjang gelombang ultraviolet dan cahaya tampak sehingga dapat digunakan sebagai material aktif sel surya DSSC. Nilai konduktivitas terbesar terdapat pada dye Cinnamomum verum, dan perolehan efisiensi terbesar terdapat pada dye Terminalia belliricadengan besar efisiensi 0,026%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada pengelola Laboratorium Fisika Material Fakultas MIPA UNS Surakarta dan dukungan dari LPPM Hibah Peneliti Utama Sebagai Rujukan Hibah MRG-UNS dengan No. 343/UN27/HK/2016 Tanggal 07 April 2016.
DAFTAR RUJUKAN
Imidazolium-Based Ionic Liquid Electrolyte. Science Jurnal Ubonratchathani University. vol. 1, No. 1 (January-June), pp. 9-14.
Green, Martin, A., 1982. Solar Cells Operating Principles Technology and System Application. Prentice Hall, Inc, Evylewood Cliffs N.J.
Huang, M.L., Yang, H.X., Wu, J.H., Lin, J.M., Lan, Z., Li, P.J., Hao, S.C., Han, P., Jiang, Q.W., 2007. Preparation of a Novel Polymer Gel Electrolyte Gel based on N-methyl-quinoline Iodine and Its Application in Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cell. J.Sol-Gel Sci. Techn. 42 (27): 65-70.
Irmansyah, Maddu, A., Zuhri, M., 2008. Fabrication and Characterization Dye-Sensitized Solar Cell based on TiO2/SnO2Composit Electrode and Polymer Electrolite.
Jurnal ILMU DASAR, Vol. 9 No. 2, Juli 2008: 96-103.
Li, B., Wang, L., Kang, B., Wang, P., Qiu, Y., 2006. Review of Recent Progress in Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells. Sol. Energy Mater. Sol Cells. 90: 549-573.
Qinghua, Li., Jihua, Wu., Qunwei, Tang., Zhan, Lan., Pinjiang, Li., Jianming, Lin., Leqing, Fan., 2008.Application of Microporous Polyaniline Counter Electrode for Dye-Sensitized Solar Cells. Electrochemistry Communications. 10: 1299-1302.
Rahman, H. dan Prajitno, G., 2013. Pengaruh Pemberian Space (Bantalan) untuk mendapatkan Kestabilan Arus dan Tegangan Prototipe DSSC dengan Ekstraksi Kulit Buah Manggis (Garnicia mangostana L.) sebagai Dye Sensitizer. Jurnal Sains dan Seni POMITS. Vol. 1 No. 2, 2301-928X.
Smestad, G.P. dan Gratzel, M., 1998. Demonstrating Electron and Nanotechnology. J.Chem.Educ. 75 (6): 1-6.
Soga, T., 2006.Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion. Japan: Elseiver. Zhou, H., Liqiong, W., Yurong, G., Tingli, M., 2011. Dye-Sensitized Solar Cells Using 20
