DEPOSISI LAPISAN TIPIS TiO
2NANOPARTIKEL DENGAN
DISPERSANMETANOL MENGGUNAKAN METODE ELEKTROFORESIS
DEPOSISI
Lia Aprilia, Ratno Nuryadi
Pusat Teknologi Material, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), BPPT Gedung II Lt. 22. Jl. M.H. Thamrin No. 8 Jakarta 10340
E-mail: ratnon@gmail.com
Abstrak
Semikonduktor TiO2 merupakan komponen penting dalam pembuatan dye sensitized solar cell (DSSC) sebagai elektroda kerja. Pelapisan TiO2 dapat dilakukan dengan metode electrophoretic deposition menggunakan media methanol. Ketebalan lapisan yang terbentuk sebanding dengan tegangan dan waktu elektroforesis. Resistivitas medium dispersi juga mempengaruhi ketebalan lapisan. Tegangan yang dapat digunakan pada elektroforesis TiO2 dengan substrat stainless steel 316 untuk mendapatkan lapisan TiO2 yang homogen adalah 10 – 15 V dengan waktu 30 – 60 detik. Pada substrat kaca konduktif ITO, daerah tegangan yang dapat digunakan lebih sempit, yaitu pada tegangan 10 V dengan waktu 30 – 60 detik.
Kata kunci: TiO2 nanopartikel, elektroforesis deposisi, metanol
Pendahuluan
Titanium dioksida (TiO2) merupakan semikonduktor tipe-n yang transparan terhadap cahaya tampak. TiO2 biasa digunakan dalam fabrikasi Dye sensitized solar cell (DSSC) sebagai
working electrode (elektroda kerja). Sel DSSC dapat mengkonversi energi cahaya tampak menjadi
energi listrik melalui peran pewarna (dye) yang teradsorpsi pada semikonduktor. Konversi energi dari elektroda TiO2 yang dibenamkan ke dalam elektrolit pernah dilaporkan oleh Vlachopoulos pada tahun 1988 (Vlachopoulos, et. al., 1988). Efisiensi konversi energy yang didapat tidak terlalu tinggi karena zat warna yang teradsorpsi ke permukaan semikonduktor relatif datar, dan penyerapan cahaya oleh zat warna monolayer terbatas. Pada tahun 1991, O'Regan dan Gratzel (O’Regan B dan Gratzel M, 1991) memecahkan masalah dengan menggunakan elektroda TiO2 nanopori. Elektroda dengan pori-pori berukuran nano tersebut memiliki luas permukaan besar per wilayah yang diproyeksikan, maka sel surya ini secara drastis dapat meningkatkan penyerapan efektif cahaya.
Dengan ketebalan lapisan TiO2 yang tepat dan pewarna yang baik, DSSC mampu menyerap sebagian besar cahaya tampak. Efisiensi konversi energi tertinggi saat ini sekitar 11% (Gratzel M, 2004). Berbagai upaya untuk meningkatkan efisiensi sel DSSC terus dilakukan. Kualitas lapisan tipis TiO2 merupakan salah satu faktor yang paling penting dalam menentukan karakteristik DSSC (Jarernboon W., et al., 2009).
Beberapa teknik untuk membuat lapis tipis antara lain adalah slip casting (doctor blading
atau spread and drag) (Varma S. C. dan Garg V., 2009), screen printing (Ito, et al., 2007), sol gel
(Jin Y.S., et. al., 2010), sputtering (Hossain M.F., et. al., 2008), electrophoretic deposition
(Fujimura K. dan Yoshikado S., 2003), dan spin coating (Suciu R.C., et. al., 2011). Elektroforesis deposisi (EPD) merupakan proses berbiaya rendah (Yamamoto K., et. al., 2008) dan mudah untuk dilakukan. Selain itu, ketebalan lapisan tipis TiO2 dapat dengan mudah dikontrol dengan mengendalikan waktu elektroforesis dan rapat arus (Ito K., et al., 2008), juga tegangan (Grinis L.,
et. al., 2008).
Elektroforesis terjadi akibat adanya pengaruh medan listrik arus searah (Direct Current). Partikel-partikel yang bermuatan di dalam larutan akan tertarik dan terdeposisi pada permukaan konduktif elektroda yang berlawanan muatannya. Berlangsungnya proses deposisi bergantung pada muatan dari partikel. Partikel yang bermuatan negatif akan terdeposisi pada elektroda positif (anoda), biasanya disebut sebagai anodic electrophoretic deposition. Partikel yang bermuatan positif akan tedeposisi pada elektroda negatif (katoda), biasanya disebut sebagai cathodic electrophoretic deposition (Besra L., dan LiuM., 2007).
elektroforesis deposisi yang menggunakan metanol sebagai dispersan/ media dispersi. Bahasan ini meliputi ketebalan lapisan, pengaruh jenis larutan (resistivitas), dan pengaruh substrat.
Metodologi Penelitian 1. Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah TiO2 nanopartikel (Sigma-Aldrich), metanol (Merck), kaca konduktif ITO (12 Ω, Sigma-Aldrich) dan Plat Stainless Steel 316 berukuran 30 mm x 10 mm x 1.5 mm, dan alat ukur micrometer (Krisbow)..
Skematik alat deposisi elektroforesis ditunjukkan pada Gambar 1. Wadah suspensi yang digunakan adalah gelas piala Pyrex ukuran 100 ml. Kaca konduktif ITO dan plat SS 316 berukuran 30 mm x 10 mm x 1.5 mm. Sebelum deposisi, plat SS 316 diamplas dengan kertas silikon karbida (SiC) 600 grit sambil dialiri air. Setelah itu, plat dicuci dalam larutan alkohol dan diletakkan dalam ultrasonik. Kemudian dikeringkan di udara pada suhu kamar. Katoda yang digunakan adalah kertas karbon dengan dimensi yang sama. Elektroda yang sudah terpasang dihubungkan dengan aparatus elektroforesis yang telah dirancang. Jarak antar elektroda ± 2 cm.
Gambar 1. Skematik alat EPD
2. Eksperimen elektroforesis dan pengukuran ketebalan lapisan
Sebanyak 0.38 g TiO2 nanopartikel dimasukkan dalam gelas piala yang berisi 60 ml metanol. Larutan diaduk (magnetic stirrer) selama 30 menit dan disonikasi dalam ultrasonik selama 20 menit. Elektroforesis dilakukan pada tegangan 5, 10, 13, 15, 17, dan 20 V dengan waktu 30 dan 60 detik pada masing-masing tegangan. Hasil lapisan TiO2 yang terbentuk diukur dengan alat ukur micrometer.
Hasil dan Pembahasan 1. Ketebalan Lapisan TiO2
Pada saat proses elektroforesis, deposisi TiO2 terbentuk di anoda, sedangkan pada katoda tidak sedikitpun TiO2 yang terdeposit. Hal ini disebabkan partikel TiO2 pada larutan metanol lebih bersifat negatif (pada semikonduktor, TiO2 tergolong n-junction karena mempunyai lebih banyak elektron) sehingga bergerak ke anoda (kutub positif) (Mardare D., 2005). Produk partikel TiO2 yang digunakan mempengaruhi deposit TiO2 yang terbentuk. Ito et. al. (2007) telah meneliti pelapisan TiO2 dengan media methanol dan ethanol. Hasilnya didapatkan lapisan TiO2 pada katoda. Penelitian kami sebelumnya juga menunjukkan hasil yang sama, yaitu dengan menggunakan media pendispersi isopropanol maka didapatkan bahwa partikel TiO2 terdeposisi pada katoda (Nuryadi R, et. al., 2010).
Tabel 1. Ketebalan lapisan TiO2 pada substrat SS 316 dan kaca ITO
Substrat Tegangan (V) Waktu (detik) Tebal (µm)
SS 316 10 30 12 ketebalan lapisan yang semakin besar dengan meningkatnya waktu deposisi. Hal ini disebabkan waktu yang lebih banyak memberikan kesempatan lebih banyak pada partikel suspensi yang bermuatan positif untuk menempel pada katoda. Pada penelitian sebelumnya kami telah melakukan simulasi pengaruh waktu deposisi terhadap ketebalan lapisan (Nuryadi R., 2010). Hasil eksperimen ini sesuai dengan hasil simulasi yang didapatkan, yaitu meningkatnya ketebalan seiring dengan meningkatnya waktu
Faktor yang berkaitan dengan proses elektroforesis adalah waktu deposisi, tegangan, konsentrasi padatan dalam suspensi, dan konduktivitas substrat (Ruys A.J., et. al., 1995). Ketebalan lapisan yang dihasilkan pada substrat SS 316 lebih besar daripada ketebalan lapisan pada kaca ITO. Hal ini disebabkan nilai konduktivitas SS 316 yang lebih tinggi dibanding kaca ITO, atau dengan kata lain nilai resistansinya lebih rendah. Nilai resistansi SS 316 sekitar 1.9 Ω sedangkan resistansi kaca ITO sekitar 12 Ω.
2. Pengaruh resistivitas medium dispersi
Menurut Ito et al. penambahan TiO2 nanopartikel dapat menurunkan nilai resistivitas methanol dari ± 0.32 MΩcm menjadi ± 32 KΩcm. Penurunan nilai resistivitas ini menunjukkan bahwa penambahan nanopartikel TiO2 menghasilkan konduksi ion. Ketika TiO2 ditambahkan methanol, ion-ion H+ alkohol diabsorpsi ke permukan TiO2, sehingga membuat partikel TiO2 bermuatan positif. Untuk mencapai kondisi netral, ion CH3O- dihasilkan sebagai counter ion.
Pengaruh nilai resistivitas larutan ditunjukkan pada persamaan berikut (Ito K., et al., 2010):
dimana adalah ketebalan lapisan tipis TiO2 dalam fungsi waktu, adalah resistivitas lapisan tipis TiO2, adalah resistivitas larutan koloid TiO2 adalah tegangan antar dua elektroda,
adalah kecepatan pertumbuhan lapisan TiO2, dan adalah jarak antar elektroda.
Tabel 2. Nilai resistivitas berbagai dispersan
Kami melakukan simulasi pengaruh jenis dispersan terhadap ketebalan lapisan TiO2 yang dihasilkan. Tegangan yang digunakan adalah 15 Volt. Dispersan yang digunakan adalah air, metanol dan etanol. Nilai resistivitas masing-masing dispersan dapat dilihat pada Tabel 2. Nilai dari masing-masing parameter adalah jarak antar elektroda d2=2cm, luas permukaan elektroda S0=5 cm2, jari-jari rata-rata partikel TiO2 a=25 nm, resistivitas lapisan TiO2 ρ1=7 MOhm-cm. Asumsi pada arus konstan I0=0.3 mA dihasilkan lapisan TiO2 dengan ketebalan d1=15 µm selama 530 detik, merujuk pada referensi (Sakai K., et. al., 2006). Hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 merupakan hasil simulasi hubungan antara waktu deposisi dan ketebalan lapisan TiO2 pada dispersan air deion, methanol dan etanol yang memiliki nilai resistivitas berbeda (Tabel 2). Tegangan elektroforesis yang digunakan adalah 15 V. Grafik tersebut menunjukkan bahwa pada tegangan dan parameter yang sama, ketebalan lapisan TiO2 yang dihasilkan dengan menggunakan dispersan metanol lebih rendah dari pada lapisan TiO2 dengan medium dispersi air deion, tetapi lebih tebal dibanding menggunakan medium dispersi etanol. Hal ini disebabkan nilai resistivitas larutan pada medium dispersi methanol lebih tinggi dibanding air deion tetapi lebih rendah dibanding medium dispersi etanol. Suspensi dengan resistivitas lebih tinggi memerlukan tegangan lebih tinggi juga untuk mendapatkan lapisan yang lebih tebal dan homogen. Meski nilai resistivitas suspense dengan air deion rendah, pemakaian air deion sebagai medium dispersi kurang diminati karena menghasilkan gas (elektrolisis air) pada elektroda saat proses elektroforesis. Ini mengganggu pembentukan lapisan TiO2 pada substrat, selain itu lapisan yang dihasilkan mempunyai densitas rendah (Ito K., et al., 2010).
Gambar 2. Hasil simulasi hubungan antara waktu deposisi dan ketebalan pada berbagai dispersan
3. Pengaruh permukaan substrat yang digunakan
Substrat yang digunakan pada elektroforesis berpengaruh dari sisi konduktivitas dan kekasaran permukaannya (Nuryadi R., Junior Z.A.A., dan Aprilia L., 2010). Dengan menggunakan substrat SS 316 dan kaca ITO, perbedaan tegangan dan waktu yang dapat digunakan untuk proses elektroforesis dapat dilihat. Tegangan yang dapat digunakan untuk elektroforesis TiO2 dengan substrat SS 316 adalah 10 – 15 V. Tegangan yang terlalu rendah tidak cukup untuk menggerakkan partikel TiO2 dan mendepositnya ke substrat. Tegangan yang terlalu tinggi dapat mendeposit partikel TiO2 pada substrat dengan cepat namun hasilnya lebih kasar dan tidak homogen.
Waktu yang dapat digunakan untuk terbentuknya lapisan TiO2 pada substrat SS 316 dan kaca konduktif ITO adalah pada kisaran 30 hingga 60 detik. Pada watu kurang dari 30 detik, partikel TiO2 yang terdeposit sangat sedikit dan belum membentuk lapisan. Lapisan terluar pada TiO2 yang terdeposit lebih dari 60 detik luntur sehingga terbentuk agregat di permukaan lapisan yang tidak ikut luntur, karena agregat TiO2 yang terbawa ke larutan ikut menempel kembali ke anoda dengan adanya arus listrik sehingga lapisan yang terbentuk tidak homogen. Oleh karena itu, untuk meningkatkan ketebalan lapisan TiO2 yang homogen, elektroforesis berhenti pada 60 detik.
Secara umum deposit TiO2 pada substrat SS 316 homogen pada tegangan 10 – 15 V. Lapisan yang paling homogen adalah pada tegangan 10 V dengan waktu deposisi 30 dan 60 detik. Pada tegangan 20 V, deposit yang terbentuk mengalami banyak degradasi (luntur) mulai dari
interface larutan dan udara (Gambar 3a) sehingga daerah di atas 15 V dapat dikatakan tidak baik untuk pelapisan TiO2 pada substrat SS 316.
elektroforesis menggunakan voltase 17 volt (Gambar 4), dimana pelapisan hanya terjadi pada deposit hanya terbentuk pada interface larutan dan udara.
Gambar 3. Lapisan TiO2 yang terbentuk pada: (a) Substrat SS 316 pada tegangan 10 V dan 20 V, (b) Pada substrat kaca ITO pada tegangan 10 V dan 15 V.
Gambar 4. Lapisan TiO2 yang terbentuk di substrat kaca ITO pada tegangan 17 V
Pada substrat kaca konduktif ITO, daerah tegangan yang dapat digunakan untuk membentuk lapisan TiO2 yang homogen lebih sempit, yaitu pada tegangan 10 V dengan waktu 30 – 60 detik. Hal ini disebabkan sifat kekasaran permukaan substrat. Plat SS 316 yang diamplas dengan kertas SiC 600 grit memiliki permukaan lebih kasar dari permukaan kaca konduktif ITO. Partikel TiO2 lebih mudah menempel pada permukaan substrat yang kasar, sehingga daerah tegangan yang dapat digunakan untuk pelapisan TiO2 pada substrat SS 316 lebih luas. Salah satu fungsi pengamplasan adalah menghomogenkan permukaan substrat dan menghilangkan sisa pengotor pada substrat.
Kesimpulan
Pelapisan TiO2 dapat dilakukan dengan metode electrophoretic deposition menggunakan media methanol. Hasilnya, lapisan yang terbentuk cukup homogen. Ketebalan lapisan yang terbentuk sebanding dengan tegangan dan waktu elektroforesis. Selain tegangan dan waktu elektroforesis, resistivitas medium dispersi juga mempengaruhi ketebalan lapisan. Dengan menggunakan substrat stainless steel 316, tegangan yang dapat digunakan adalah 10 – 15 V dengan waktu 30 – 60 detik. Pada substrat kaca konduktif ITO, daerah tegangan yang dapat digunakan untuk membentuk lapisan TiO2 yang homogen lebih sempit, yaitu pada tegangan 10 V dengan waktu 30 – 60 detik. Karena itu untuk mendapatkan TiO2 yang homogen, perlu diperhatikan konduktivitas dan resistansi dari material yangperlu dilapisi.
Ucapan Terima kasih
Daftar pustaka
Besra L., dan LiuM,., 2007, A review on fundamentals and applications of electrophoretic deposition (EPD). Progress in Materials Science, vol 52, 1–61.
Fujimura K. dan Yoshikado S., 2003, Preparation of TiO2 thin film for dye sensitized solar cell deposited by electrophoresis method, Key Engineering Materials, vol 11, 133-136.
Gratzel M, 2004, Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized solar cells, J. Photochem. Photobiol. A, vol 164, 3.
Grinis L., Dor S., Ofir A., dan Zaban A., 2008, Collector-Shell Mesoporous Electrodes for Dye Sensitized Solar Cells, J. Photochem. Photobiol. A, vol 198, 52.
Hossain M.F., et. al., 2008, Investigation of sputter-deposited TiO2 thin film for the fabrication of dye-sensitized solar cells, Thin Solid Films, vol 516, 7149–7154.
Ito, et al., 2007, Fabrication of screen-printing pastes from TiO2 powders for dye-sensitised solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 15 no 7, 603-612.
Ito K., et al., 2010, Preparation and Evaluation of TiO2 Nanoparticle Thin Films by Electrophoresis Deposition, Key Engineering Materials, vol. 445, 135-139.
Jarernboon W., et al., 2009, Optimization of titanium dioxide film prepared by electrophoretic deposition for dye-sensitized solar cell application, J. Thin Solid Films, vol 517, 4663–4667. Jin Y.S., Kim K. H., dan Choi H. W., 2010, Properties of TiO2 films prepared for use in
dye-sensitized solar cells by using the Sol-gel method at different catalyst concentrations, Journal of the Korean Physical Society, vol 57 no 4, 1049-1053
Mardare D., 2005, The seebeck coefficient of TiO2 thin films, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, vol 7, 721-725.
Nuryadi R., 2010, Simulasi pertumbuhan lapisan tipis TiO2 dengan metoda elektroforesis,
Prosiding Seminar Nasional Energi, Bandung.
Nuryadi R., Junior Z.A.A., dan Aprilia L., 2010, Metoda elektroforesis tanpa penambahan garam untuk pembuatan lapisan tipis TiO2 berketebalan mikrometer, Prosiding Seminar Nasional Energi, Bandung.
Nuryadi R., Junior Z.A.A., Wargadipura A.H.S. and Gunlazuardi J., 2010, Formation of TiO2 thin film for dye-sensitized solar cell application using electrophoretic deposition, Conference Proceedings of American Institute of Physics.
O’Regan B dan Gratzel M., 1991, A low-cost, high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature, vol 353, 737.
Ruys A.J., et. al., 1995, Sintering effects on the strength of hydroxypatite, Biomater., vol 16no5, 409–15.
Sakai K., Fujimura K.., dan Yoshikado S., 2006, New method to adsorb dye molecules for dye sensitized solar cell, IEEJ Trans. FM, Vol 126 no 3, 113-120.
Suciu R.C., et. al., 2011, TiO2 Thin films prepared by spin coating technique. Rev. Roum. Chim.,vol 56 no 6, 2011, 607-612.
Varma S. C. dan Garg V., 2009, “Nano Crystalline Solar Cell – an Approaching Renewable Source of Energy”, Proceedings of Conference on Energy and Environtment, 19-21.
Vlachopoulos N., Liska P., Augustynski J. dan Gratzel M, 1988, Very efficient visible light energy harvesting and conversion by spectral sensitization of high surface area polycrystalline titanium dioxide films, J. Am. Chem. Soc., vol 110, 1216–1220.
