FABRIKASI GELAS TRANSPARANT KONDUKTIF FTO (FLOURINE-DOPED TIN OXIDE) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA BERBASIS DYE (DSSC)

FABRIKASI GELAS TRANSPARANT KONDUKTIF FTO

(FLOURINE-DOPED TIN OXIDE) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA

BERBASIS DYE (DSSC)

Hendri Widiyandari1∗_{, Agus Purwanto}2_{, Eko Hidayanto}1_{, Kuncoro Diharjo}3_{, dan Suyitno}3

1

Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Matematika Universitas Diponegoro Jl. Prof. H. Soedarto, SH Tembalang Semarang Jawa Tengah 50275

Telepon (024) 76480822

2_{Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret}

Jl. Ir. Sutami, No. 36A Surakarta Jawa Tengah 57126

3

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami, No. 36A Surakarta Jawa Tengah 57126

∗

e-Mail: h.widiyandari@undip.ac.id

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Gelas transparan konduktif FTO (flourine-doped tin oxide) telah berhasil dibuat dengan menggunakan metode droplet/spray deposition. Dari analisa XRD (X-Ray Defractometer) menunjukkan film yang dihasilkan memiliki kesuaian de-ngan struktur tetragonal SnO2dengan ukuran kristal berkisar pada 37,045 nm. Dari hasil pengujian sifat optik dan listriknya diperoleh FTO yang dihasilkan memiliki transmitansi pada rentang cahaya tampak (400 - 800 nm) hingga lebih dari 80% dan sheet resistansi yang bisa dikontrol (7 23Ω/sq). Gelas FTO dengan variasi nilai sheet resistance kemudian digunakan sebagai substrat elektroda pada devais sel surya berbasis dye atau dye-sensitized solar cell (DSSC). Dengan menggunakan teknik doctor blade dalam pembuatan elektroda aktif (nanopartikel TiOletakbawah2) dan elektroda pembalik Pt (platinum) diperoleh DSSC menggunakan FTO dengan sheet resistance 12Ω/sq memiliki short-circuit photocurrent density (Jsc) mencapai 5,84 mA/cm2 dengan power convertion efficiency 2,8%.

Kata Kunci: Gelas transparan konduktif, FTO, droplet deposition, Dye sensitized solar cell (DSSC).

I.

PENDAHULUAN

Sel surya merupakan devais yang digunakan untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Ketersediaan energi matahari sangat berlimpah tetapi pemanfaatannya sebagai sumber energi listrik masih terbatas karena kendala harga sel surya yang masih ma-hal. Saat ini, telah dikembangkan sel surya berbasis dye/pewarna (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC) yang murah. Untuk fabrikasi sel surya jenis ini diperlukan beberapa komponen meliputi gelas transparan konduk-tif, titania nanopartikel, pewarna dan elektrolit. Di antara komponen-komponen dalam devais DSSC ini, gelas transparan konduktif merupakan komponen ter-penting yaitu sebagai substrat bagi elektroda aktif dan elektroda pembalik Platina (Pt). Aplikasi lain dari gelas transparan konduktif ini adalah sebagai komponen dis-play, smart window, light emitting diode, dan

lain-lain.[1]_{Sampai dengan saat ini material yang digunakan}

sebagai gelas transparan konduktif di antaranya adalah ITO (Indium Tin Oxide), dan FTO (Flourinated-Tin Ox-ide). Dibandingkan dengan ITO, FTO umumnya lebih resistan secara kimiawi, murah dan ketersediaan bahan baku yang lebih mudah diperoleh.[1, 2] _{Khusus untuk}

aplikasi DSSC, FTO menunjukkan sifat konduktifitas listrik yang relatif lebih tahan terhadap perlakuan pe-manasan dibandingkan dengan ITO.[3, 4] Sehingga hal ini membuat FTO sangat potensial digunakan sebagai elektroda pada DSSC.

Beberapa metode yang telah digunakan untuk fab-rikasi gelas transparan konduktif di antaranya adalah spray pyrolysis deposition (SPD),[2]_{chemical vapor}

de-position (CVD), dan flame assisted spray dede-position.[4, 5]

Di antara metode ini ini, spray pyrolysis deposition menawarkan beberapa keuntungan di antaranya

ber-operasi pada tekanan atmosfer, mudah dikontrol serta memungkinkan untuk dilakukan doping terhadap ma-terial yang akan dibuat.

GAMBAR1: Diagram skematik sel surya jenis DSSC.

Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah sel surya je-nis ketiga yang memanfaatkan teknologi nano. DSSC merupakan sel surya yang sangat menjanjikan karena berpotensi sebagai sel surya yang murah, mudah dibuat dan menjanjikan efisiensi yang tinggi. Diagram ske-matik sel surya jenis DSSC ini dapat dilihat padaGAM

-BAR1. DSSC tersebut dibuat dari elektroda kerja yang

merupakan lapisan titania nanopartikel pada gelas FTO. Elektroda titania ini kemudian dilapisi pewarna untuk memaksimalkan tingkat penyerapan sinar mata-harinya. Selain elektroda kerja, diperlukan elektroda kounter yang terbuat dari lapisan platina atau karbon pada gelas FTO. Untuk mengalirkan elektron, larutan elektrolit diisikan di antara elektroda kerja (lapisan ti-tania Nanopartikel) dan elektroda counter (Pt atau kar-bon). Larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan redox iodide/triiodide. Effisiensi sel surya jenis DSSC ini yang pernah dilaporkan adalah sebesar 12.3%.[6, 7]

Sel surya jenis DSSC sangat dipengaruhi oleh kom-ponen pendukungnya berupa gelas transparan kon-duktif FTO. Pada paper ini diuraikan pengaruh resis-tansi terhadap efisiensi dari sel surya jenis DSSC. De-ngan metode deposisi spray, FTO deDe-ngan berbagai re-sistansi dibuat. Kemudian FTO yang telah dibuat di-gunakan dalam pembuatan sel surya DSSC dan diuji pengaruh sheet resistance-nya terhadap effisiensi sel surya.

II.

METODOLOGI

Gelas transparan konduktif dibuat dengan menggu-nakan metode droplet/spray deposition (GAMBAR2).

Reaktor deposisi terdiri dari droplet generator (ultra-sonic nebulizer Omron, NE-U17, Japan) dan hot-plate (IKA C-MAG HS7, USA) sebagai pemanas substrat sekaligus sebagai sumber energi termal dalam proses

pembentukan film FTO. Droplet yang dihasilkan kemu-dian dialirkan keatas permukaan substrat yang telah di-panasi dengan temperatur yang berbeda-beda. Dengan mengatur temperatur deposisi, FTO dengan sheet resis-tance yang berbeda-beda dapat dibuat.

GAMBAR 2: Peralatan yang digunakan untuk membuat gelas FTO.

Bahan yang digunakan untuk membuat gelas FTO adalah gelas, SnCl2.2H2O (98%, Merck Ltd., Germany) dan NH4F (98%, Merck Ltd., Germany). Larutan dibuat

dengan konsentrasi 0.7 M dengan kandungan dopant (NH4F) 8% dalam 96% etanol. Larutan yang telah

dibuat dimasukkan kedalam wadah ultrasonic nebu-lizer untuk kemudian diatomisasi dan dideposisi di atas permukaan gelas.

Gelas FTO yang dihasilkan dari metode di atas ke-mudian dikarakterisasi dengan menggunakan X-Ray difractometry (XRD, RINT 2200V, Rigaku-Denki Corp., Tokyo, Japan), four-probe resistivity meter (Jandel Engi-neering, Bedfordshire, UK), dan juga UV-Vis spectrom-eter (UV 2450, Shimadzu, Kyoto, Japan)

Untuk membuat sel surya jenis DSSC, digunakan metode doctor blade untuk melapiskan titania dan platina di atas gelas FTO. Titania nanopartikel (Anatase, DSL 18NR-T, Dyesol) digunakan sebagai elektroda kerja. Untuk membuat film yang kuat antara titania de-ngan gelas FTO, gelas FTO dibersihkan terlebih dahulu dengan ethanol dalam ultrasonic bath. Setelah film titania terdeposisi di atas FTO, film titania kemudian dipanaskan dalam furnace dengan 500◦C selama satu jam. Titania film kemudian dicelupkan kedalam larutan ethanol-pewarna N719 dengan konsentrasi 0,5 mmol selama 24 h dikeringkan dalam sebuah oven. Sel surya

kemudian dibuat dengan cara membuat sandwich an-tara elektroda titania dan elektroda counter platina. Elektroda counter platina dibuat dengan melapisi pasta platina (PT-1, Dyesol) pada gelas FTO. Kedua elektroda di pisahkan dengan spacer polymer Surlyn (ketebalan 25 mm). Di antara kedua elektroda tersebut kemudian diisi dengan larutan elektrolit. Larutan ini adalah la-rutan redoks iodide (Iodolyte AN-50, Solaronix). Sel surya yang telah dihasilkan kemudian di karakterisasi dengan menggunakan solar simulator AM 1.5 untuk mengetahui karakteristiknya.

III.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembuatan gelas FTO dengan menggunakan tekno-logi spray dilakukan pada temperatur 500◦C. GAM

-BAR3menunjukkan spektrum XRD gelas FTO yang di-hasilkan. DariGAMBAR1tersebut diketahui bahwa film FTO yang dihasilkan merupakan SnO2 dengan

struk-tur kristal tetragonal. Spektrum ini sesuai dengan JCPDS no 770541. Dari perhitungan dengan mengguna-kan persamaan scherer didapat diameter kristal sebesar 37,045 nm. Stuktur kristal ini menghasilkan gelas FTO dengan sheet resistance yang rendah.[1–4]

Untuk pengaruh sheet resistance terhadap karakter-istik sel surya jenis DSSC, telah dibuat gelas FTO de-ngan sheet resistance yang berbeda-beda. Sheet resis-tance yang digunakan adalah 6,7; 12,1; 19,3; dan 23,5

Ω/sq. Lebih detail gelas FTO yang digunakan dapat di-lihat padaTABEL1.

GAMBAR3:Spektrum XRD film FTO yang dibuat dengan metode spray.

Untuk mengetahui tingkat ketransparanan dari FTO yang dihasilkan dilakukan pengukuran UV-Vis. Hasil pengukuran ini dapat dilihat pada GAMBAR4. Dari

TABEL1:Gelas FTO yang dihasilkan dengan berbagai sheet resis-tance.

sample sheet resistanceΩ/sq

FTO10 6,7

FTO20 12,1

FTO30 19,3

FTO50 23,5

GAMBAR4 dapat diketahui bahwa semua gelas FTO transparan dengan tingkat transparansi antara 65-85% pada panjang gelombang antara 400-800 nm. Tingkat transparansi gelas FTO yang dihasilkan dapat dilihat padaGAMBAR5. Gelas FTO dengan karakteristik ini

da-pat digunakan untuk membuat sel surya jenis DSSC.[6, 7]

GAMBAR4:Spektrum UV-Vis gelas FTO yang dideposisi dengan metode spray.

Dari gelas FTO yang telah dibuat di atas digunakan untuk membuat sel surya jenis DSSC. Sel surya yang telah dibuat dikarakterisasi dengan menggunakan so-lar simulator AM. 1,5. Hasil karakterisasi lengkap sel surya sebagai fungsi dari sheet resistance FTO dapat di-lihat pada TABEL2. Dari tabel tersebut terlihat bahwa

efisiensi sel surya tergantung dari besarnya sheet resis-tance. Sel surya yang dibuat dari FTO dengan sheet re-sistance 6,7; 12,1; 19,3; dan 23,5Ω/sq mempunyai efi-siensi berturut-turut sebesar 1,66; 2,80; 2,29; dan 0,2 %. Sel surya yang dibuat dari gelas FTO dengan sheet re-sistance di bawah 19,3 Ω/sq mempunyai fill factor di atas 0,7. Hal ini menandakan bahwa sel surya tersebut mempunyai daya maksimal yang besar. Selain itu, sel surya yang dibuat dari FTO dengan sheet resistance di bawah 19,3Ω/sq mempunyai Voclebih dari 0,6 V.

Kurva I-V pengukuran sel surya dapat dilihat pada GAMBAR6. Dari kurva tersebut terlihat bahwa sel surya

GAMBAR5:Photo gelas FTO yang dibuat dengan metode deposisi spray.

TABEL2: Tabel karakteristik sel surya DSSC sebagai fungsi sheet resistance Sample Resistance (Ω/sq) FF (%) Eficiency (%) FTO10 6,7 70,7 1,66 FTO20 12,1 72,7 2,80 FTO30 19,3 71,7 2,29 FTO50 23,5 24,5 0,02

mendekati 0,6 V. Kurva seperti ditunjukkan pada gam-bar tersebut merupakan kurva ideal untuk sel surya.[6, 7]

Dari optimasi yang dilakukan dapat diketahui bahwa sheet resistance yang ideal untuk pembuatan sel surya adalah 12,1Ω/sq yang menghasilkan sel surya dengan efisiensi 2,80 %.

IV.

KESIMPULAN

Telah dibuat gelas transparan konduktif FTO (flourine-doped tin oxide) dengan menggunakan metode deposisi spray. Film FTO yang dihasilkan menunjukkan struktur tetragonal SnO2 dengan

uku-ran kristal berkisar pada 37,045 nm. Dari analisa optik diperoleh FTO yang memiliki transmitansi pada rentang cahaya tampak (400-800 nm) hingga lebih dari 80%. Sheet resistansi film FTO yang dihasilkan yang bisa dikontrol dalam kisaran 6,7-23,5Ω/sq. Gelas FTO ini kemudian digunakan sebagai substrat elektroda pada pembuatan sel surya jenis DSSC. Dari optimasi yang telah dilakukan diperoleh bahwa sel surya yang dibuat dari FTO dengan sheet resistance 12,1 meng-hasilkan sel yang memiliki short-circuit photocurrent density (Jsc) mencapai 5,84 mA/cm2 dengan power convertion efficiency 2,8 %. Sel surya ini sangat poten-sial untuk diaplikasikan pada kehidupan sehari-hari sebagai sumber tenaga peralatan elektronik.

GAMBAR 6: Kurva I-V sel surya yang dibuat dari FTO dengan berbagai sheet resistance.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada KEMENRISTEK atas pendanaan penelitian ini melalui program insentif SiNas (InSiNas).

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kumar, R., Zhou, C., (2010), The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win?, ACS Nano Vol. 4, No. 1 pp 11-14.

[2] Adnane, M., Cachet, H., Folcher, G., Hamzaoui, S., (2005), Beneficial effects of hydrogen peroxide on growth, structural and electrical properties of sprayed fluorine-doped SnO films, Thin Solid Film Vol. 492, No. 1-2, pp 240-247

[3] Sima, C., Grigoriu, C., Antohe, S., (2010), Compari-son of the dye-sensitized solar cells performances based on transparent conductive ITO and FTO, Thin Solid Film Vol. 519, No. 2, pp 595-597

[4] Purwanto, A., Widiyandari, H., and Jumari, A., (2012) High Performance FTO film Prepared by Flame Assisted Spray Deposition, Thin Solid Films Vol. 520, No. 6, 2092-2095.

[5] Purwanto, A., Widiyandari, H., Hidayat, D., Iskan-dar, F., and Okuyama, K. (2009), Facile Method for the Fabrication of Vertically Aligned ITO Nanopil-lars with Excellent Properties, Chemistry of Mate-rials Vol 21, pp 4087-4089.

[6] McCune, M., Zhang, W., Deng, Y. (2012), High Effi-ciency Dye-Sensitized Solar Cells Based on Three-Dimensional Multilayered ZnO Nanowire Arrays With Caterpillar-Like Structure, Nanoletters Vol 12, pp. 3656-3662.

[7] Zheng, Q., Kang, H., Yun, J., Lee, J., Park, J. H., Baik, S. (2011), Hierarchical Construction of Self-Standing Anodized Titania Nanotube Arrays and Nanoparticles for Efficient and Cost-Effective Front-Iluminated Dye-Sensitized Solar Cells, ACS