Penggunaan Klorofil Gaharu Sebagai Dye
Sensitized solar cell (DSSC)
Reza Maulana Mashari
Rezamaulanam57@gmail.com
Abstrak—Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel
surya fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. Hal ini telah dikembangkan oleh gratzel sebagai sumber daya alternatif melalui penemuan material terbaru sel surya, dengan meniru proses fotosintesis yang bernama reaksi photo-electrochemical. Menurut penelitian yang dilakukan oleh saputra, flavonoid dapat digunakan sebagai
dye dalam dye sensitized solar cell, Sementara ekstrak daun
gaharu telah diteliti mengandung flavonoid dan klorofil oleh Yanti pada tahun 2014. Penelitian ini bertujuan untuk merancang, membangun dan menguji dye sensitized solar cell dengan cara menguji absorbsi cahaya ekstrak daun gaharu
gyrinops versteegi yang dikelompokan menjadi daun gaharu
muda, menengah, dan tua. Dengan takaran ekstrak yang sama, yaitu 15 gram daun gaharu dilarutkan dalam etanol berkadar 96% sebanyak 100 ml. Dari hasil penelitian yang dilakukan, menunjukan bahwa meskipun daya serap maksimalnya sama, yaitu sebesar 4,00. Namun daun menengah dapat menyerap cahaya lebih panjang rentan gelombangnya. Sementara hasil uji performa DSSC didapatkan tegangan daun gaharu muda, menengah, dan tua mmasing – masing sebesar 4,8 mV, 6,8 mV, dan 5,3 mV. Untuk arusnya sebesar 0,01 mA, 0,02 mA dan 0,01 mA.
Kata Kunci— Dye sensitized solar cell, Tegangan, Arus, daun gaharu
I. PENDAHULUAN
Sel surya merupakan alat semi konduktor yang dapat menghasilkan energi listrik secara langsung, dengan mengubah energi surya menjadi bentuk energi listrik [1]. Proses konversi energi surya menjadi energi listrik terdiri dari beberapa proses, antara lain: (1) Absorpsi cahaya ke dalam semikonduktor, (2) membangkitkan serta memisahkan muatan positif dan negatif melalui terminal – terminalnya. Pada saat ini sel surya yang umum digunakan adalah berbahan silikon, karena efisiensi sel surya silikon mencapai 24% [2]. Namun pembuatan sel surya silikon masih tidak ramah lingkungan dan proses perakitannya yang tidak sederhana menjadi suatu kendala. Di samping itu menurut, sel surya konvensional jenis silikon ini memiliki keterbatasan suplai bahan baku silikonnya. Ini dapat dipahami karena harga silikon meningkat seiring dengan permintaan industri semikonduktor. Kemudian seiring berkembangnya
penelitian, terdapat sel surya yang lebih ramah lingkungan, yaitu Dye-sensitized solar cell (DSSC).
Menurut O’Regan & Gratzel (1991) dalam [3] , berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. Hal ini telah dikembangkan oleh gratzel sebagai sumber daya alternatif melalui penemuan material terbaru sel surya, dengan meniru proses fotosintesis yang bernama reaksi photo-electrochemical [3]. Proses fotosintesis yang merubah cahaya matahari menjadi reaksi kimia adalah dasar perkembangan teknologi yang merubah cahaya matahari menjadi energi listrik pada Dye-sensitized
solar cell yang mempunyai kelebihan yaitu harga material yang
murah, sumber daya yang mudah didapatkan dan ramah lingkungan.
DSSC tersusun dari beberapa komponen, yaitu semi konduktor oksida, lapisan dye (pewarna), counter elektroda dan elektrolit. Dalam hal ini pewarna menjadi bagian penting dalam proses penyerapan cahaya dan mengubahnya menjadi energi listrik. Pada penelitian sebelumnya menggunakan pewarna dari senyawa Ruthenium complex dapat mencapai efisiensi 11-12 % [3]. Namun jumlah pewarna tersebut terbatas dan harganya cukup mahal, kemudian penelitian berkembang ke arah penggunaan pigmen warna pada berbagai tumbuhan, salah satunya dengan menggunakan klorofil dan flavonoid tanaman.
Di antara beberapa tumbuhan yang mengandung klorofil dan flavonoid, daun gaharu merupakan salah satunya. Ekstrak daun gaharu telah diteliti mengandung flavonoid dan klorofil oleh Yanti pada tahun 2014. Klorofil dari daun gaharu tersebut dapat menyerap cahaya dan dapat dipakai sebagai dye dalam
dye sensitized solar cell karena mengandung ikatan rangkap
konjugasi (ikatan senyawa organik yang atom-atomnya secara kovalen berikatan tunggal dan ganda secara bergantian). Selain klorofil, flavonoidpun dapat digunakan pula sebagai dye alami. Hal tersebut dapat dibuktikan dari hasil penelitian Saputra pada tahun 2014 [4].
Belum pernah ada penelitian khusus yang membahas mengenai penggunaan klorofil daun gaharu sebagai dye alami dalam Dye-sensitized solar cell (DSSC). Perkembangan yang
Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Malang
Malang
Arif Nur Afandi, Dwi Prihanto
Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri MalangMalang an.afandi@um.ac.id, dwiprihanto0524@gmail.com
ada saat ini adalah penggunaan klorofil atau pigmen dari tumbuhan lain, seperti daun bayam. Namun berdasarkan realita yang ada saat ini, daun bayam masih banyak dimanfaatkan sebagai sumber pangan hampir diseluruh wilayah Indonesia. Untuk itu dibutuhkan tumbuhan alternatif sebagai pengganti daun bayam salah satunya daun gaharu.
Sejauh ini, batang tumbuhan gaharu, banyak dimanfaatkan sebagai bahan pembuat parfum. Sedangkan daunnya hanya dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan teh. Hal tersebut tidak sebanding dengan ketersediaan daun gaharu yang melimpah.
Dengan alasan tersebut, penelitian ini mencoba untuk memanfaatkan daun gaharu sebagai dye alami selain daun bayam dengan menguji dan menganalisis klorofil daun gaharu (daun muda, menengah, dan tua) terhadap efisiensi DSSC. Untuk mengukur efisiensi dari dye-sensitizer dilakukan uji karakteristik I-V menggunakan peralatan solar simulator.
II. KAJIAN PUSTAKA
A. Dssc (Dye-Sensitizes Solar Cell)
Dye Sensitized solar cell (DSSC), sejak pertama kali
ditemukan oleh Professor Michael Gratzel pada tahun 1991. Menurut O‟Regan & Gratzel (1991) berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. Selain elektrolit, DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO₂, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan TiO₂, dan katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca konduktif, seperti terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur DSSC
B. Cara Kerja Dssc
DSSC bekerja pada daerah sinar tampak hingga sedikit infra merah. Sinar tampak merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 390-770 nm, sedangkan infra merah sedikit lebih panjang. Cara kerja DSSC itu sendiri yaitu foton (sinar matahari) yang terabsorbsi oleh
dye akan mengalami eksitasi elektron pada dye. Kejadian ini
memberikan energi yang cukup kepada elektron untuk pindah menuju conduction band dari TiO₂. Akibatnya elektron mengalir menuju elektroda,rangkaian listrik sampai counter elektroda. Elektrolit membawa elektron-elektron kembali ke
dye yang berasal dari counter elektroda (CE ). Dye yang
digunakan pada DSSC umumnya berupa dye sintetik Ruthenium kompleks. Ruthenium kompleks memiliki kemampuan berikatan baik dengan semikonduktor karena memiliki ikatan carboxylate. Ikatan tersebut memberikan efek elektron yang mengalir baik tanpa harus melakukan lompatan dan hambatan dalam proses pengalirannya..
C. Proses Fabrikasi Dye Sensitized solar cell (Dssc)
Proses fabrikasi Dye Sensitized solar cell (DSSC) terdiri dari beberapa tahapan, diantaranya adalah persiapan alat dan bahan seperti kaca berukuran 2 cm x 4,5 cm x 0,3 cm yang berfungsi sebagai kaca penghantar, tumbuhan yang berfungsi sebagai dye, karbon, dan lain lain. Langkah selanjutnya adalah pembuatan bagian dye dengan cara mengekstrak pewarna alami dari tumbuhan yang ingin digunakan dalam penelitian ini menggunakan daun gaharu jenis Gyrinops Versteegi yang dikelompokan menjadi daun muda, menengah dan tua yang telah gugur dan masing – masing ditimbang beratnya sebanyak 15 gram.
Setelah mendapatkan ekstrak tanaman, selanjutnya dilanjutkan dengan membuat kaca konduktor dengan cara melapisi Flourine-Doped Tin Oxide (FTO) yang disemprotkan ke dalam kaca yang dipanaskan dengan suhu sekitar 400-500 °C. Setelah kaca penghantar terbentuk, maka kaca tersebut dilapisi oleh lapisan TiO₂ dan di panaskan kembali. Langkah selanjutnya adalah melapisi karbon ke dalam kaca konduktor yang lain, setelah itu merendam lapisan TiO₂ ke dalam cairan
dye dan membuat struktur sandwich dengan cara menjepitnya
dengan lapisan batang karbon. Barulah dapat dilakukan pengukuran baik dengan sinar matahari langsung, maupun menggunakan solar simulator. Proses fabrikasi DSSC dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Diagram alir fabrikasi DSSC (Dye sensitized solar cell) Persiapan Alat dan
Bahan Pengekstrakan Tanaman Sebagai DYE Pembuatan Kaca Konduktor (FTO) Pelapisan TiO2 ke Kaca Konduktor Preparasi dye sensitizer Preparasi Counter Elektroda Karbon Elektrolit Pembuatan Struktur Sandwitch Elektroda Tio2-Karbon Pengujian Efisiensi Solar Cell
III. METODE PENELITIAN
A. Pengambilan Data
Pengumpulan berbagai data berupa dari berbagai sumber dapat digunakan sebagai bahan guna merencanakan membuat produk tertentu yang diharapkan bisa mengatasi masalah tersebut. Pengumpulan data tersebut dapat melalui berbagai cara yakni wawancara sumber ataupun studi literatur guna menemukan konsep - konsep maupun landasan -landasan teoretis yang bisa memperkuat produk. Studi literatur juga dibutuhkan guna mengetahui langkah -langkah yang paling tepat dalam mengembangkan produk tersebut.
B. Desain Dssc (Dye Sensitized Solar Cell)
Untuk dapat menghasilkan produk baru, maka perlu dibuat rancangan produk baru berdasarkan penilaian terhadap system kerja yang lama, sehingga dapat ditemukan kelemahan dari sistem tersebut. Disamping itu, penelitian terhadap unit lain yang sejenis dengan sistem kerja yang baik perlu dilakukan sehingga dapat menjadi referensi mutakhir. Hasil akhir dari kegiatan ini berupa rancangan atau desain produk baru yang lebih baik dari produk sebelumnya berupa gambar atau bagan sebagai pegangan guna menilai dan membuatnya, serta akan memudahkan pihak lain untuk lebih memahaminya. Desain ini harus melaui pengujian – pengujian karena masih bersifat hipotetik, karena efektivitasnya masih belum terbukti. Untuk desain DSSC yang akan diteliti dalam penelitian ini dapat dilihat seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Desain DSSC
Dye sensitized Solar Cells menggunakan struktur sandwitch
dimana lapisan dye dari klorofil daun gaharu dijepit diantara kaca konduktor FTO dan kaca yang sudah dilapisi karbon sebagai elektroda.
C. Pembuatan Dye Sensitized Solar Cell
Setelah desain telah tervalidasi oleh para pakar, selanjutnya adalah pembuatan produk sesuai dengan desain dan prosedur yang telah dibuat. Pembuatan produk dapat dilakukan sesuai dengan prosedur yang tentunya berasal dari sumber referensi yang valid seperti jurnal ataupun buku.
Gambar 4. Proses Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell
Pada proses pembuatan dye sensitized solar cell memiliki beberapa tahapan diantaranya adalah : (1) Alat dan bahan untuk fabrikasi dye sensitized solar cell disiapkan, diantaranya adalah: kertas saring, gelas ukur, corong, alat gerus, uv – vis spektrometer, solar cell simulator, mortir, stemper, hotplate, kaca, etanol, daun gaharu (muda, menengah, tua / gugur) , dan titanium dioksida. (2) proses ekstrak di daun gaharu, meliputi: Daun gaharu muda, menengah dan tua digerus, masing - masing sebanyak 15 gram dan direndam dalam etanol berkadar 96% sebanyak 100 ml selama 1 hari pada suhu ruang (25-27 °C). Campuran bahan tersebut kemudian disaring dengan kertas saring sehingga didapatkan residu. Setelah ekstrak daun gaharu didapatkan, kemudian dilakukan pengujian untuk mengetahui kemampuan ekstrak daun gaharu gyrinops versteegi. (3) Kaca yang telah dipotong seukuran 2,5 cm x 4 cm diletakkan di hotplate dan dipanaskan dengan suhu 400-500 °C. Kemudian spray kaca menggunakan larutan konduktif dengan metode spray pyrolisis, Lakukan berulang kali hingga di dapatkan jumlah tahanan yang diinginkan. (5) Batasi area aktif (1 cm x 2 cm) kaca konduktif dengan isolasi. Lapisi TiO₂ yang sudah disiapkan secara merata dan perlahan. Kemudian dipanaskan kembali dalam hotplate selama 10 menit hingga meleleh dan menyatu dengan kaca. (6) Siapkan kaca konduktif lain yang tidak dilapisi TiO₂, Kemudian kaca tersebut dilapisi dengan karbon dengan cara memoleskan kaca tersebut dengan pensil. (7) Setelah FTO sudah terlapisi dengan TiO₂, langkah selanjutnya adalah melapisi dye dari daun gaharu (muda,menengah,dan tua). Masing - masing di teteskan secara perlahan dan didiamkan selama 10 menit, Setelah itu bilas dengan air dan lap perlahan. (8) Setelah dye terlapisi, siapkan multimeter beserta probe dan penjepit kertas. Siapkan pula kaca konduktif yang telah terlapisi karbon. Jepit kedua kaca tersebut dengan menggunakan penjepit kertas ukur tegangan dan arus menggunakan avometer dibawah solar cell simulator dan bandingkan antara daun muda, menengah dan tua.
Gambar 5 Animasi Proses Pemberian TiO₂ ke dalam Kaca Konduktif Keterangan Gambar 5 :
1. Kaca Konduktif (FTO) 2. Hot Plate
3. Bubuk Titanium Dioksida 4. Pengatur Suhu Hot Plate
D. Pengujian Absorbsi Cahaya
Uji kemampuan penyerapan atau absorbsi cahaya dari daun gaharu gyrinops versteegi (muda, menengah, dan Tua) dapat dilakukan apabila sudah mendapatkan ekstrak dari daun tersebut. Setelah itu ekstrak daun dibawa ke lab Fakultas MIPA untuk di uji dengan menggunakan UV-Vis Spektrometer supaya terlihat gelombangnya. Apabila gelombang hasil pengujian dye berada dikisaran 400-770 nm (cahaya tampak), maka dye tersebut dapat dipakai dan dilanjutkan ke tahap berikutnya.
E. Pengujian Performa Dssc
Pengujian performa DSSC dapat dilakukan apabila alat dan bahan sudah tersedia termasuk ekstrak daun gaharu yang sudah di uji. Pengujian performa DSSC bertujuan untuk mengetahui arus dan tegangan yang dihasilkan oleh DSSC tersebut. Pengujian ini dilakukan di lab konversi Teknik Elektro UM.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil Ekstrak Daun Gaharu
Pengekstrakan Daun Gaharu dilakukan untuk tiga jenis gaharu, yakni muda, menengah, dan tua. Gunanya adalah untuk membandingkan penyerapan absorbsi dan performa
DSSC dari ketiga jenis daun tersebut. Hasil pengekstrakan
Daun Gaharu tersebut dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Hasil Ekstrak Daun Gaharu
B. Hasil Pengujian Absorbsi Cahaya
Pengujian absorbsi cahaya daun gaharu menggunakan Uv-Vis Spektrofotometer, bertujuan untuk mengetahui rentan gelombang yang dapat diserap dan absorbsi puncak dye dari ketiga jenis ekstrak daun gaharu tersebut.
1) Hasil Pengujian Absorbsi Cahaya Daun Gaharu Muda
Gambar 7. Grafik Pengujian Arbsorbsi Cahaya Daun Gaharu Muda
Gambar 7 merupakan grafik hasil pengujian aborbsi cahaya dari daun gaharu muda. Rentan gelombang yang dihasilkan dari ekstrakdaun gaharu muda adalah 208-650 nm. Sementara untuk aborbsi puncak dari daun gaharu ini adalah sebesar 4,00 yang berada di beberapa titik. Yaitu di 252 nm sampai 361 nm. dan dengan besaran yang sama berada di titik 472,5 nm.
2) Hasil Pengujian Absorbsi Cahaya Daun Gaharu Menengah
Gambar 8. Grafik Pengujian Arbsorbsi Cahaya Daun Gaharu Menengah
Gambar 8 merupakan grafik hasil pengujian aborbsi cahaya dari daun gaharu menengah. Rentan gelombang yang dihasilkan dari ekstrak daun gaharu muda adalah 213 nm - 640 nm. Sementara untuk aborbsi puncak dari daun gaharu menengah ini sama, yaitu sebesar 4,00 yang berada di beberapa titik. Yaitu di 239 nm sampai 288 nm. kemudian di 306 nm sampai 362 nm dan 479 nm sampai 486 nm. meskipun besaranya sama dengan daun gaharu muda, namun rentan yang dihasilkan lebih panjang.
TABEL I. MERUPAKAN HASIL PERBANDINGAN PENGUJIAN ABSORBS CAHAYA DARI KETIGA JENIS DAUN GAHARU TERSEBUT
3) Hasil Pengujian Absorbsi Cahaya Daun Gaharu Tua
Gambar 9. Grafik Pengujian Arbsorbsi Cahaya Daun Gaharu Tua Gambar 9 adalah grafik hasil pengujian aborbsi cahaya dari daun gaharu tua (daun yang telah gugur). Rentan panjang absorbsi gelombang daun gaharu tua adalah diantara 249 nm – 650,5 nm. Untuk absorbsi puncaknya adalah 4,00 nm sama seperti sampel lain. Namun hanya ada di tiga titik saja, yaitu 308 nm , 359nm , dan 476,5 nm. Jenis Daun gaharu Rentan Absorbsi (nm) Nilai Absorbsi Puncak (nm) Tikik Absorbsi Puncak (nm) Muda 208-650 4,00 1. 252 – 361 2. 472,5 Menengah 213 - 640 4,00 1. 239 – 288 2. 306 – 362 3. 479 - 486 Tua 249 – 650,5 4,00 1. 308 2. 359 3. 476,5 Berdasarkan hasil perbandingan tersebut, diketahui bahwa ketiga jenis daun gaharu tersebut memiliki titik absorbsi puncak yang sama yaitu 4,00. Namun rentan gelombang puncaknya bebeda.Daun gaharu menengah memiliki rentan gelombang puncak lebih panjang atau lebih lama dari yang lain. Hal tersebut membuktikan bahwa daun menengah dapat menghasilkan absorbsi yang lebih baik. Untuk daun muda dan daun tua, dengan rentan gelombang yang lebih pendek tetap dapat menghasilkan absorbsi, namun dengan hasil yang kurang baik.
C. Hasil Pengujian Performansi Dssc
Pengujian performa Dssc dilakukan setelah dye teruji dapat dikatakan menyerap cahaya tampak. Pengujian ini dilakukan menggunakan solar simulator, terlihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Pengujian performa Dssc
Tabel II merupakan hasil dari uji performansi dssc dari 3 jenis daun gaharu.
T ABELII.HASILUJIPERFORMANSIDSSC
Kelompok Daun
gaharu Tegangan (mV) Arus (mA)
Muda 4,8 0,01
Menengah 6,8 0,02
Tua 5,3 0,01
Pada pengujian daun gaharu muda, didapatkan tegangan 4,8 mV dan arus sebesar 0,01A. Sementara untuk daun gaharu menengah didapatkan hasil tegangan dan arus masing – masing 6,8 mV dan 0,02 mA. Pada pengujian terakhir yang dilakukan terhadap daun tua, didapatkan teganagn dan arus masing – masing sebesar 5,5 mV dan 0,01 mA.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis data yang telah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan yaitu:
1. Daun gaharu muda, menengah, dan tua dapat digunakan sebagai dye karena dapat menyerap cahaya di rentan cahaya tampak.
2. Besar absorbsi puncak pada daun gaharu muda, menengah, dan tua sama yaitu 4,00 namun rentan gelombang puncaknya bebeda. Dengan rentan terpanjang dan terpendek pada daun gaharu menengah dan tua.
3. Besar arus dan tegangan yang dihasilkan dari
performa DSSC, daun gaharu menengah
menghasilkan arus dan tegangan yang paling besar. 4. Daun gaharu menengah memiliki performa paling
baik untuk digunakan dalam bahan pembuatan dye.
REFERENSI
[1] J. Heri, “Pengujian Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Solar Cell Kapasitas 50 WP,” Engineering, vol. 4, No 1, pp. 47–55, 2012. [2] R. Prasetyowati, “Sel Surya Berbasis Titania Sebagai Sumber Energi
Listrik Alternatif,” Pros. Semin. Nas. Penelitian, Pendidik. dan Penerapan MIPA, Fak. MIPA, Univ. Negeri Yogyakarta, 2 Juni 2012, pp. 453–462, 2012.
[3] E. Maulana, S. H. Pramono, D. Fanditya, and M. Julius, “Effect of Chlorophyll Concentration Variations from Extract of Papaya Leaves on
Dye-Sensitized Solar Cell,” 070, vol. 9, no. 1, pp. 49–52, 2015.
[4] D. Tanaman, A. Cordyline, F. L. Sebagai, J. Fisika, F. Matematika, and P. Alam, “Analisis Spektrum Absorbansi Pigmen Flavonoid Dari,” pp. 92–95, 2007.
