5
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells)
DSSC merupakan jenis sel surya yang mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan sistem fotoelektrokimia. DSSC menawarkan perangkat konversi energi berbiaya rendah dengan prosedur manufaktur sederhana (Nuran dkk, 2015). Perkembangan DSSC dimulai oleh Grätzel dan O'Regan (1991) yang pertama kalinya merancang bentuk dasar sel surya berdasarkan film semikonduktor titania yang dikenal sebagai dye-sensitized solar cells (DSSC) (O’Regan dan Grätzel, 1991). Mekanisme ini menunjukkan proses absorpsi optik dan pemisahan muatan melalui asosiasi sensitizer sebagai penyerap cahaya dengan semikonduktor kristal nano yang memiliki band gap lebar (Grätzel, 2003).
Gambar 2.1 DSSC dengan ekstrak krokot sebagai dye-sensitized (Krisdiyanto dkk, 2015)
Pada Gambar 2.1 merupakan contoh dari DSSC yang diteliti oleh Krisdayanto dkk (2015) dengan menggunakan ekstrak tanaman krokot sebagai dye- sensitized, DSSC tersebut terdiri dari sepasang substrat kaca berlapis TCO
6 (transparent conducting oxide) sebagai elektroda dan elektroda counter, elektrolit yang mengandung ion iodida dan tri-iodida (I-/I3-) pada tiap lapisan karbon sebagai katalis, TiO2 berpori sebagai fotoanoda, dan dye photosensitizer (Krisdiyanto dkk, 2015). Semua komponen disusun di depan struktur sandwich dengan lapisan atas merupakan working electrode sebagai lapisan awal penerima foton dan lapisan bawah adalah counter electrode dan bagian tengah adalah elektrolit untuk meregenerasi elektron. Kriteria pewarna yang dapat digunakan sebagai dye sensitizer adalah intensitas adsorpsi pada panjang gelombang cahaya tampak, adsorpsi kuat pada permukaan semikonduktor, memiliki kemampuan untuk menginjeksikan elektron ke pita konduksi semikonduktor, dan memiliki gugus =O atau -H yang mengikat ke permukaan TiO2 yang dapat meningkatkan laju reaksi transfer elektron (Ludin dkk, 2014).
Selain pemanfaatan ekstrak krokot sebagai dye-sensitized yang diteliti oleh Krisdiyanto dkk (2015) terdapat bahan oksida lain yang dapat dimanfaatkan seperti yang diteliti oleh Okamoto dan Suzuki (2014) dengan menggunakan SrTiO3, CaTiO3, dan BaTiO3 sebagai bahan coating TiO2 seperti pada Gambar 2.2 berikut:
Gambar 2.2 Non˗TiO2 oksida untuk elektroda DSSC: (A) fasa murni elektroda berpori, (B) elektroda komposit dengan TiO2, dan (C) TiO2 berlapis material
(Okamoto and Suzuki, 2014)
Berdasarkan Gambar 2.2 terdapat perbedaan perlakuan zat pewarna pada DSSC yang memiliki pengaruh terhadap tingkat VOC, JSC, dan efisiensi DSSC. Hal tersebut terjadi karena perubahan efek dari hamburan cahaya (Okamoto and Suzuki, 2014).
7
2.2 ZnTiO
3(Seng Titanat)
ZnTiO3 telah menarik banyak perhatian untuk digunakan sebagai katalis dalam transformasi organik fase cair, resonator dielektrik dan gelombang mikro (Takase dkk, 2017), sensor gas, oksidasi hidrokarbon atau reduksi CO dan NO, bahan semikonduktor, bahan fotokatalitik, dan juga pada cat sebagai pigmen (Budigi dkk, 2015). Metode yang digunakan untuk menghasilkan ZnTiO3 sangatlah beragam seperti solid state reaction method (Chang dkk, 2004), mechanochemical complexation route (Jaramillo-Fierro dkk, 2020), thermal decomposition of peroxide precursors (Nikolenko dkk, 2018), chemichal copresipitation (Pookmanee dkk, 2008).
ZnTiO3 dan titanat serupa lainnya seperti MgTiO3, MnTiO3, dan NiTiO3
termasuk dalam grup ruang 𝐶32 dengan 2 molekul dalam sel rhombohedra1 primitif.
Posisi atomnya adalah sebagai berikut: 2Ti dengan 𝑢, 𝑢, 𝑢; 𝑢̅, 𝑢̅, 𝑢̅, 2Fe (atau Mg,Mn,Ni,Zn) dengan 𝑢, 𝑢, 𝑢; 𝑢̅, 𝑢̅, 𝑢̅, dan 6O dengan 𝑥, 𝑦, 𝑧; y,z,x; z,x.y; 𝑥̅, 𝑦̅, 𝑧̅;
𝑦̅, 𝑧̅, 𝑥̅; 𝑧̅, 𝑥̅, 𝑦̅ (Bartram dan Slepetys, 1961). Berikut adalah jarak interatomik ZnTiO3:
Tabel 2.1 Jarak Interatomik ZnTiO3
Komponen Zn−Zn (Å)
Ti−Ti (Å)
O−O (Å)
Zn−Ti (Å)
Zn−O (Å)
Ti−O (Å) ZnTiO3 3,92 4,18 2,64 2,91 2,15 (Oktahedral) 2,06 Zn2TiO4 3,66 2,99 2,70 2,99 1,98 (Oktahedral) 1,98
2,27 2,00 (Tetrahedral)
ZnO 3,20 3,20 1,97 (Tertahedral)
3,24 3,24
TiO2 2,98 2,78 1,95
2,53 1,98
*) Bartram dan Slepetys, 1961
Tabel 2.1 menunjukkan bahwa pada ZnTiO3 semua atom Zn berada dalam koordinasi oktahedral dengan oksigen, sedangkan di Zn2TiO4 setengahnya dapat menempati koordinasi tetrahedral seperti pada ZnO. Gambar 2.3 menunjukkan skema struktur kristal ZnTiO3, TiO2 dan ZnO. ZnTiO3 ini mengkristal dalam
8 struktur spinel cacat dengan delapan ion Zn2+ menempati posisi tetrahedral dan dua belas ion Ti4+ didistribusikan dalam enam belas posisi oktahedral (a0 = 8,395 ± 0,002 a.u.) (Jaramillo-Fierro dkk, 2020).
(a) (b) (c)
Gambar 2.3 Skema struktur kristal (a) ZnTiO3 (Geikelit), (b) ZnO (Wurtzite) dan (c) TiO2 (Rutile) (Jain dkk, 2010)
ZnTiO3 mempunyai kapasitansi, loss tangent (tan δ) dan konstanta dielektrik yang tidak bergantung pada rentang frekuensi yang lebih tinggi (Jain dkk, 2010). ZnTiO3
terbentuk karena kristalinitas, yang terjadi sebagai konsekuensi dari pembentukan cacat dan pengurangan ukuran kristal, dan pembentukan fasa zinkitanat, yang terjadi sebagai konsekuensi dari reaksi keadaan padat antara ZnO dan TiO2. Berikut adalah diagram fasa dari ZnO dan TiO2:
Gambar 2.4 Diagram fasa ZnO–TiO2 (Parvanova dan Maneva, 1996)
9
2.3 Time Resolved X-ray Absorption Spectroscopy (TR-XAS)
X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) adalah alat untuk mempelajari struktur suatu bahan pada skala atom atau molekuler dan struktur lokal unsur-unsur yang terdapat pada bahan tersebut. XAS tidak hanya berlaku untuk bahan kristal, tetapi juga untuk bahan amorf, gelas, kuasi-kristal, film, larutan dan gas (Paufler, 2011). Spektrum XAS dibagi menjadi dua bagian, yaitu daerah spektrum tepi dekat serapan sinar-X (XANES) dan daerah struktur halus serapan sinar-X yang diperluas (EXAFS) (Milne dkk, 2009).
XANES adalah wilayah spektrum XAS yang dipengaruhi oleh hamburan fotoelektron, yang berada dalam kisaran absorpsi sekitar 40 eV di atas tepi absorpsi dan EXAFS dapat didefinisikan sebagai titik ketika panjang gelombang elektron yang tersebar sama dengan jarak antara atom yang diserap dan atom tetangga terdekat dan rentang energinya hingga 1000 eV di atas tepi penyerapan (Milne dkk, 2009). Perbedaan antara XANES dan EXAFS dapat dilihat pada hamburan fotoelektron. Di area EXAFS, XAS dapat diartikan sebagai hamburan tunggal, sedangkan di area XANES, interpretasi XAS memperhitungkan efek hamburan ganda dari atom sekitarnya (Ascone dkk, 2012).
Gambar 2.5 Hamburan atom di daerah EXAFS dan XANES
Time Resolved X-ray Absorption Spectroscopy (TR-XAS) merupakan XAS dengan perkembangan yaitu menggunakan elektron ultra cepat dan difraksi sinar-
10 X serta kristalografi (Chergui dan Zewail, 2009). Pada TR-XAS yang dapat mengirimkan pulsa cahaya dalm femtosecond ini terdiri dari sistem dengan first pulse (disebut pompa) dan second laser pulse (disebut probe) yang dapat menembakan pulsa cahaya secara bersamaan dengan yang pertama dan dapat waktu penembakan pulsa cahayanya dapat disetel dari puluhan femtosecond hingga beberapa puluh picosecond. Perkembangan besar TR-XAS untuk studi sistem molekuler melahirkan bidang femtokimia (Zewail, 2000).
2.4 X-ray Diffraction (XRD)
XRD digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material, komposisi fasa, struktur kristal dan mikrostruktur fasa-fasa di dalamnya (Mittemeijer and Scardi, 2004). Pinsip kerja XRD didasarkan pada interferensi konstruktif sinar-X monokromatik dan sampel kristal. Sinar-X ini dihasilkan oleh tabung sinar katoda, disaring untuk menghasilkan radiasi monokromatik, dikolimasi menjadi konsentrat, dan diarahkan ke sampel. Interaksi sinar datang dengan sampel menghasilkan interferensi konstruktif (dan sinar terdifraksi) ketika kondisi memenuhi Hukum Bragg dengan persamaan sebagai berikut:
𝑛𝜆 = 2𝑑 sin 𝜃 …………...……….(2.1)
Hukum ini menghubungkan panjang gelombang radiasi elektromagnetik dengan sudut difraksi dan jarak kisi dalam sampel kristal. Sinar-X yang terdifraksi ini kemudian dideteksi, diproses dan dihitung. Dengan memindai sampel melalui rentang sudut 2θ, semua kemungkinan arah difraksi kisi harus dicapai karena orientasi acak dari bahan bubuk. Konversi puncak difraksi menjadi jarak-d memungkinkan identifikasi mineral karena setiap mineral memiliki sekumpulan jarak-d yang unik. Biasanya, ini dicapai dengan perbandingan jarak-d dengan pola referensi standar (Cullity, 1978).
2.5 Fourier Transform Infrared (FTIR)
FTIR merupakan teknik spektroskopi yang secara efektif dapat memberikan informasi tentang komposisi kimia bahan pada tingkat molekuler. FTIR digunakan untuk menentukan gugus fungsi kimia senyawa organik dan anorganik. Hampir semua senyawa menunjukkan karakteristik penyerapan atau emisi dalam spektrum inframerah (Griffiths dan Haseth, 2007). Oleh karena itu, FTIR dapat digunakan
11 untuk menganalisis senyawa secara kuantitatif dan kualitatif. Salah satu alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi spektrum IR adalah spektrofotometer FTIR (Fourier Transform Infrared). Setelah dikarakterisasi menggunakan spektrofotometer FTIR, diperoleh data berupa bilangan gelombang (𝑐𝑚−1) dan transmitansi (%). Bilangan gelombang (𝑐𝑚−1) adalah banyaknya panjang gelombang per sentimeter, sehingga dapat dikatakan bilangan gelombang berbanding terbalik dengan panjang gelombang yang diserap oleh detektor (Griffiths dan Haseth, 2007). Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan:
𝑢′= 1
𝜆…………...………..…….(2.2) dengan 𝑢′ merupakan bilangan gelombang dan 𝜆 merupakan panjang gelombang (Griffiths dan Haseth, 2007).
2.6 Scanning Electromagnetic Microscope
SEM adalah jenis mikroskop elektron yang menggambarkan permukaan sampel dengan memindainya menggunakan berkas elektron berenergi tinggi dalam pola pemindaian raster. Pemancar elektron dari emission gun digunakan. Jenis pemancar elektron ini dapat menghasilkan emisi hingga 1000x dari filamen tungsten. Namun, mereka membutuhkan kondisi vakum yang jauh lebih tinggi.
Setelah berkas elektron keluar dari electron gun, mereka kemudian dikurung dan difokuskan menjadi berkas monokromatik terfokus tipis menggunakan lubang logam dan lensa magnet. Akhirnya, detektor dari setiap jenis elektron ditempatkan di mikroskop yang mengumpulkan sinyal untuk menghasilkan gambar spesimen (Alyamani, 2012).
2.7 Penelitian Terdahulu
Berikut adalah hasil penelitian terdahulu yang telah dirangkum pada tabel berikut ini:
Tabel 2.2 Penelitian terdahulu No Nama & Tahun
Publikasi Hasil
1 Akgül, 2012 Metode: Ball milling method using mixture of high purity ZnO and TiO2 powders.
12 Hasil: Ditemukannya kristalinitas yang sangat tinggi. Selain itu, hasil EXAFS menunjukkan bahwa ball milling merupakan metode yang cukup efektif untuk membuat serbuk berukuran nano yang sangat kristal.
2 Pratapa dan Nurchosiya, 2013
Metode: Pencampuran larutan pada temperatur kalsinasi 550°C dengan variasi waktu penahanan.
Hasil: Difraktometer sinar-X telah digunakan untuk mengkarakterisasi hasil kalsinasi serbuk ZMT01, dan perangkat lunak Rietica digunakan untuk analisis kuantitatif. Hasil analisis menunjukkan fraksi bobot relatif fasa geikelit mencapai 97,9% dengan syarat holding time 6 jam.
3 Ermawati dkk, 2015
Metode: A Simple Dissolved Metals Mixing Route to Prepare Nanostructured Mg0.8Zn0.2TiO3.
Hasil: Hasil keluaran dari data penganalisis ukuran partikel, citra TEM dan analisis Rietveld memverifikasi keseragaman dan kristalinitas distribusi ukuran partikel nanosistem.
4 Saukani dan Suasmoro, 2015
Metode: Serbuk Mg0.8Zn0.2TiO3 disintesis dengan metode terlarut dan dikalsinasi pada temperatur 550°C selama 4 jam.
Hasil: Hasilnya menunjukkan fase utama Mg0.8Zn0.2TiO3 berkisar antara 72.83% untuk MZTA, 77.9% untuk MZTB dan 82.61% untuk MZTC. Selanjutnya, fasa minor diidentifikasi sebagai Mg2TiO4 dan senyawa sisa lainnya Mg3TiO2 (BO3)2 untuk boron aditif. Kepadatan sintered pellet yang ditentukan dengan metode Archimedes menunjukkan bahwa aditif Bi2O3
paling efektif untuk densifikasi. Karakterisasi mikrostruktur menggunakan SEM menunjukkan bahwa MZTB memiliki ukuran butir terbesar
≈3.4μm diikuti oleh MZTA 2.3μm dan MZTC 1.78μm. Karakterisasi dielektrik dalam frekuensi 1 Hz - 32 MHz menunjukkan karakteristik polarisasi muatan ruang untuk frekuensi < 1 kHz, namun untuk frekuensi > 1 kHz menunjukkan frekuensi tidak bergantung pada polarisasi dipolar dan low dielectric loss yang memiliki nilai εr ~ 17.
