BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Matahari Matahari adalah sumber energi utama yang memancarkan energi yang luar biasa besarnya ke permukaan bumi. Energi matahari dapat dipresentasikan dalam parameter intensitas radiasi yaitu jumlah daya matahari yang datang pada suatu permukaan persatuan luas area. Pada keadaan cuaca cerah, permukaan bumi menyerap sekitar 1000 watt energi matahari permeter persegi. Kurang dari 30% energi tersebut dipantulkan kembali ke angkasa, 47% dikonversikan menjadi panas, 23% digunakan untuk seluruh sirkulasi kerja yang terdapat di atas permukaan bumi, sebagian kecil 0,25% ditampung angin, gelombang dan arus dan masih ada bagian yang sangat kecil 0,025% disimpan melalui proses fotosintesis di dalam tumbuh-tumbuhan yang akhirnya digunakan dalam proses pembentukan batu bara dan minyak bumi (bahan bakar fosil, proses fotosintesis yang memakan jutaan tahun) yang saat ini digunakan secara ekstensif dan eksploratif.bukan hanya untuk bahan bakar tetapi juga untuk bahan pembuat plastik, formika, bahan sintesis lainnya. Sehingga bisa dikatakan bahwa sumber segala energi adalah energi matahari (Manan, 2009). Energi matahari dapat dimanfaatkan dengan berbagai cara salah satunya sel surya yang menjanjikan masa depan yang cerah sebagai sumber energi listrik.

2 2.2 Sel Surya Sel surya adalah suatu divais yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik melalui efek fotovoltaik. Divais ini dibuat dari bahan semikonduktor yaitu suatu zat padat yang memiliki nilai resitivitas lebih besar dari bahan konduktor dan lebih kecil dari bahan isilator. Celah pita energinya pun tidak terlalu besar sehingga memungkinkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi Sel Surya Anorganik Pada umumnya sel surya terbuat dari bahan semikonduktor anorganik. Bahan semikonduktor dibentuk dari hasil ikatan kovalen antara unsur-unsur bahan sehingga konvigurasi elektron valensinya menyerupai konvigurasi elektron pada unsur-unsur gas mulia. Misalnya unsur-unsur pada golongan IIIA seperti Boron (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) dan Thallium (Tl) dengan unsurunsur pada golongan V A seperti Nitrogen (N), Phosphorus (P), dan Arsenik (As). Muatan pembawa arus listrik pada bahan semikonduktor adalah elektron dan hole. Suatu bahan yang pembawa mayoritasnya adalah hole disebut semikonduktor tipe-p dan bahan yang muatan pembawa mayoritasnya adalah elektron disebut semikonduktor tipe-n. Ketika kedua bahan ini disatukan maka akan terbentuk semikonduktor sambungan p-n. Ketika bahan tipe-p disambungkan dengan bahan tipe-n, maka elektron pada bahan tipe-n berdifusi melalui permukaan sambungan menuju bahan tipe-p, begitu juga sebaliknya, hole pada 8

3 bahan tipe-p berdifusi menuju bahan tipe-n. Ketika berdifusi, hole mengalami rekombinasi dengan elektron dan saling meniadakan muatan sehingga tepat pada sambungan p-n terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut daerah deplesi. Pada daerah deplesi muatan positif terpisah dari muatan negatif, sehingga timbulmedan listrik yang dikenal sebagai medan built-in yaitu medan dalam. Akibat dari medan dalam ini akan muncul suatu potensial penghalang antara bahan tipe-p dan bahan tipe-n. Besarnya potensial penghalang kemudian di ikuti dengan melebarnya daerah deplesi. Struktur sel surya dari bahan semikonduktor anorganikdapat terbentuk sambungan p-n atau sambungan schottky. Sel surya persambungan schottky terdiri dari sambungan metal dan semikonduktor. Struktur sel surya persambungan p-n yang umum digunakan adalah struktur heterojunction. Pada struktur ini, energi gap lapisan atas akan lebih besar di bandingkan dengan energi gap lapisan di bawahnya, sehingga ketika foton dari cahaya matahari menembus lapisan-lapisan ini foton yang energinya tidak mampu mengeksitasikan elektron pada lapisan teratas akan diteruskan ke lapisan di bawahnya begitu setrusnya, yang dikenal dengan sistem window. Sebuah sel surya dapat menghasilkan arus listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses munculnya arus listrik ini diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika menerima energi dari luar. Pada sel surya terdapat dua jenis arus, yaitu arus foto (photo current) dan arus gelap (dark current). Arus foto atau arus penyinaran muncul karena elektron-elektron pada pita valensi bahan semikonduktor 9

4 tereksitasi ke pita konduksi akibat diberikan sejumlah energi foton. Sehingga akan timbul perbedaan kerapatan muatan pembawa pada pita konduksi di daerah persambungan. Karena perbedaan kerapatan dan muatan, maka akan muncul pergerakan muatan dari daerah kerapatan tinggi ke daerah kerapatan rendah atau terjadi proses difusi sehinggs arus foto di sebut juga dengan arus difusi. Sedangkan arus gelap pada sel surya yang disebut juga dengan arus dioda, karena munculnya arus ini akibat persambungan p-n pada sel surya tersebut. Arus gelap berlawanan arah dengan arus foto, arus gelap merupakan arus minoritas. Resultan arus foto dan arus gelap menghasilkan arus listrik secara keseluruhan pada sel surya Sel Surya Organik Sifat listrik material organik pertama kali ditemukan pada tahun 1977 oleh Chiang dan kelompok penelitiannya (Gadisa, 2006). Material organik pertama yang dapat menghantarkan arus listrik adalahpolyacetylene yang didopping iodine dan bromin(roth, 1985). Molekul-molekul dalam bahan organik berinteraksi melalui interaksi Van der Waals yang lemah.hal ini mengakibatkan pita valensi dan pita konduksi terbentuk pada setiap molekuldengan lebar pita antar setiap molekulnya lebih kecil dari 0,1 ev (Ishii dkk., 1999).Orbital anti-ikatan (antibondingorbital) terletak pada tingkat energi yang lebih tinggidaripada orbital ikatan (bonding orbital). Orbital anti-ikatan membentuk pita konduksi dan orbital ikatan membentuk pita valensi. Bagian teratas dari keadaan yang ditempati oleh elektron pada pita valensi disebut Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO), 10

5 sedangkan bagian terbawah dari keadaan yang tidak ditempati elektronpada pita disebut dengan Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO), atau dapat juga dikatakan bahwa HOMO merupakan analog bagi pita valensi dalam kajian semikonduktor berbasis bahan anorganik, sedangkan LUMO merupakan analog bagi pita konduksi. Apabila level Fermi suatu bahan lebih dekat dengan LUMO, dapat dikatakan bahan tipe-n, dan berperilaku sebagai penerima (akseptor) elektron, sedangkan apabila level Fermi suatu bahan lebih dekat dengan HOMO, bahan tersebut dapat dikatakan bahan tipe-p dan berperan sebagai pemberi (donor) elektron. Pada sel surya organik, digunakan dua lapisan aktif, yang satu berfungsi sebagai lapisan donor (tipe-p) dan yang lainnya berfungsi sebagai lapisan akseptor (tipe-n). Proses transfer muatan yang terjadi pada lapisan aktif terjadi karena adanya perbedaan afinitas elektron. Agar terjadi suatu transfer muatan pada lapisan donor-akseptor, LUMO lapisan donor seharusnya berada minimal 0,5 ev di atas LUMO akseptor dan level HOMO lapisan akseptor seharusnya berada di bawah level HOMO lapisan donor Hal ini berarti bahwa setiap bahan organik dapat berperan sebagai lapisan donor maupun akseptor, tergantung dengan bahan apa dia dikombinasikan (Pratiwi, 2009). Menurut Timothy David Heidel (2010), Pembentukan dan penyinaran sel surya organik merupakan mekanisme yang terdiri dari beberapa langkah, diantaranya: 1. Penyerapan optis atau penyerapan energi foton. Energi ini digunakan elektron dan hole yang saling berikatan dengan kuat. Pasangan elektron dan hole ini 11

6 kemudian membentuk eksiton (muatan netral) dengan energi ikat sebesar 0,1-0,4 ev. 2. Difusi eksiton,eksiton yang terikat ini harus berpindah ke lapisan antarmuka. Selama perjalanannya menuju lapisan antarmuka ada kesempatan eksiton tersebut akan berekombinasi. Jarak yang ditempuh suatu eksiton sebelum berekombinasi disebut panjang difusi, biasanya berkisar dalam orde nm. 3. Perjalanan eksiton, setelah mencapai lapisan antarmuka eksiton tersebut berdisosiasi menjadi muatan-muatan bebas. Hasil pemisahan muatan elektron akan ditemukan pada level LUMO dari lapisan akseptor, dan hole akan ditemukan pada level HOMO pada lapisan donor. 4. Pemisahan eksiton, muatan-muatan ini akan berdifusi menuju elektroda masing-masing. Pergerakan muatan ini dikerenakan drift oleh medan dalam, walaupun efek difusi memainkan peranan penting. Perjalanan muatan ini juga dipengaruhi oleh adanya interaksi dengan atom-atom atau muatan lain, sehingga akan mengurangi kelajuan transpor elektron. Berikut ini adalah skema mekanisme terbentuknya arus penyinaran pada sel surya organik: 12

7 Gambar 2.1Skema terbentuknya arus penyinaran pada sel surya organik (Heidel, 2010) 2.3 Menentukan Performa Sel Surya Performa sel surya ditentukan oleh dua parameter, yaitu karakterisitik arustegangan (kurva I-V) yang diukur di bawah pengaruh penyinaran dan efisiensi sel surya Karakteristik Kurva Arus-Tegangan (I-V) Karakteristik I-V pada sel surya menggambarkan bagaimana sel surya tersebut bekerja di bawah penyinaran sinar matahari langsung. Kurva I-V ditentukan oleh beberapa parameter, antara lain arus hubungan singkat I sc (short sircuit) yaitu arus ketika potensial sama dengan nol, tegangan rangkaian terbuka V oc (open circuit voltage), yaitu tegangan ketika beban luar yang diberikan sangat 13

8 besar, tegangan V max yaitu tegangan yang memberikan nilai daya maksimum, arus I max yaitu arus yang memberikan nilai daya maksimum. P max = V max I max = V oc I sc FF (2.1) dan faktor isi ataufill factor(ff). Faktor isi adalah ratio antara perkalian arus maksimum dan tegangan maksimum dengan perkalian V oc dan I sc. FF = I max V max (2.2) I sc V oc FF merupakan parameter yang memperlihatkan seberapa jauh kurva I-V mendekati bentuk ideal. Nilai FF terbesar (ideal) adalah 1 yang terjadi ketika P max sama dengan V oc dikali I sc (Timuda, 2009). Berikut di bawah ini adalah bentuk karakteristik kurva arus-tegangan (I-V) pada sel surya. Gambar 2.2 Kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) 14

9 2.3.2 Efisiensi Sel Surya Efisiensi konversi energi sel surya secara keseluruhan adalah perbandingan daya yang dihasilkan sel surya dengan daya sinar matahari yang mengenai sel surya tersebut. Efisiensi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan parameter-parameter dari kurva I-V. Adapun persamaan efisensi konversi energi selsurya adalah sebagai berikut: = 100% (2.3) Dimana P max daya maksimum yang dihasilkan sel surya dan P in adalah daya sumber cahaya yang digunakan (Maddu dkk., 2007). 2.4 Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) DSSC merupakan sebuah kelas baru sel surya yang relatif rendah biaya. Sel ini diciptakan oleh Michael Grätzel dan Brian O'Regan di École Polytechnique Fédérale de Lausanne pada tahun 1991 dan juga dikenal sebagai sel Grätzel. Beliau membuat sel surya dengan mekanisme yang sama dengan fotosintetis yang dilakukan oleh tumbuhan hijau. Sel surya jenis ini menggunakan gabungan material semikonduktor anorganik dan organik. Sel surya jenis DSSC terdiri dari tiga bagian utama, yaitu elektroda kerja, elektroda pembanding dan larutan elektrolit. Elektroda kerja terdiri dari kaca konduktif transfaran, seperti Indium Tin Oxida (ITO), lapisan semikonduktor nano kristalin TiO 2 dan lapisan aktif dye. Elektroda pembanding terdiri dari kaca konduktif transparan dan lapisan karbon. Elektrolit yang digunakan adalah 15

10 elektrolit iodin dan triiodida dengan pasangan redoks (I - /I 3 - ). Adapun struktur DSSC ditunjukan oleh Gambar 2.3. Gambar 2.3Struktur Dye-Sensitized Solar Cell (Sastrawan, 2006) Perendaman Elektroda Kerja Proses perendaman elektroda kerja ke dalam larutan dye merupakan proses pembentukan lapisan aktif dye di atas elektroda kerja. Selama proses perendaman, molekul-molekul dyeakan terserap ke dalam pori TiO 2. Jika jumlah molekul dye yang terserap semakin banyak, maka proses peneyerapan energi foton akan semakin efektif karena yang berperan dalam penyerapan energi foton adalah molekul-molekul dye. Hal ini akan mempengaruhi efisiensi konversi energi pada DSSC. Penyerapan molekul dye dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain luas lapisan TiO 2, konsentrasi larutan dye, dan lamanya waktu perendaman elektroda kerja dalam larutan dye.seiring bertambahnya konsentrasi dyepada waktu perendaman tertentu, maka jumlah molekul dye yang terserap mengisi pori TiO 2 pun akan semakin banyak sehinggasaturasi pada nilai tertentu. Saturasi dalam hal ini adalah kejenuhan elektroda kerja untuk menyerap molekul-molekul dye dikarenakan pori TiO 2 sudah terisi penuh oleh molekul dye, walaupun 16

11 konsentrasi dyebertambah molekul-molekul dye tidak dapat mengisi pori TiO 2. Sehingga pada keadaan ini injeksielektron ke pita konduksi TiO 2 tidak mengalami perubahan yang berdampak pada efisiensi konversi energi DSSCyang akan bernilai konstan Mekanisme Arus Penyinaran Prinsip kerja DSSC merupakan siklus transfer elektron. Mekanisme timbulnya arus penyinaran pada DSSC antara lain: a. Ketika foton dari sinar matahari menimpa DSSC, energi foton tersebut akan diserap oleh larutan dyemenyebabkan elektron valensi dyetereksitasi (D * ) dari level HOMO ke level LUMO pada molekul dyedengan persamaan reaksi: D + foton D * (2.4) b. Elektron yang tereksitasi dari molekul dye tersebut akan diinjeksikan ke pita konduksi (CB) nanopartikel TiO 2. Molekul dye yang ditinggalkannnya kini dalam keadaan teroksidasi (D + ). Lapisan TiO 2 bertindak sebagai semikonduktor tipe-n. Elektron foto yang diinjeksikan ke molekul TiO 2 akan bergerak secara difusi ke sepanjang bagian atas dari elektroada kerja berupa lapisan konduktif transparan ITO (Indium Tin Oxide). c. Selanjutnya elektron ini ditransfer melewati rangkaian luar menuju elektroda pembanding. d. Triiodida yang terbentuk akan menangkap elektron yang berasal dari rangkaian luar dengan bantuan molekul karbon sebagai katalis. Reaksi yang terjadi adalah: 17

12 I e - cb 3I - (2.5) Elektrolit iodin menyediakan elektron pengganti untuk molekul dye yang telah menginjeksikan elektronnya pada molekul TiO 2 sehingga molekul dye tetap seperti semulakembali pada keadaan dasarground state (D) dengan persamaan reaksi: 2D + +3I - I D (2.6) Gambar 2.4 Diagram skema aliran energi Dye-Sensitized Solar Cell 2.5Semikonduktor Titanium Dioksida (TiO 2 ) Material TiO 2 adalah material semikonduktor yang memiliki energi gap sebesar 3,2 ev dan menyerap sinar pada daerah ultraviolet. Material ini memiliki kemampuan yang bagus dalam fotokimia dan fotoelektrokimia, selain itu material TiO 2 juga mudah untuk didapatkan, murah pemakaian luas tidak beracun(gratzel, 18

13 2003).Umumnya TiO 2 memiliki tiga fasa yaitu rutile, anatase dan brookite. Fasa rutile dari TiO 2 adalah fasa yang umum dan merupakan fasa yang disintesis dari mineral ilmenite melalui proses Becher. Pada proses Becher, oksida besi yang terkandung dalam ilmenite dipisahkan dengan temperatur tinggi dan dengan bantuan gas sulfat atau klor sehingga menghasilkan TiO 2 rutile dengan kemurnian 91-93%. Titania pada fasa anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm, fasa brookite pada ukuran partikel nm, dan fasa rutile diatas 35 nm (Zhang et al., 2000). TiO 2 yang digunakan untuk aplikasi DSSC ini adalah TiO 2 dengan fase anatase karena mempunyai kemapuan fotoaktif yang tinggi. Dengan struktur nanopori ini yaitu ukuran pori dalam skala nano akan menaikkan kinerja sistem karena struktur nanopori ini mempunyai karakteristik luas permukaan yang tinggi sehingga akan menaikkan jumlah dye yang menempel pada molekul TiO 2 yang implikasinya akan menaikan jumlah cahaya yang diserap. Selain itu porositas dan produksi fotoelektron pun akan meningkat. 2.6 Larutan Elektrolit Larutan elektrolit yang digunakan dalam DSSC ini terdiri dari pelarut organik dan senyawa pasangan redoks. Pasangan redoks yang digunakan adalah iodin dan triiodida (I - /I - 3 ). Elektrolit cair ini tersusun dari kation iodida ditambah iodin yang dilarutkan dengan pelarut organik. Pelarut organik adalah senyawa yang mengandung nitril, seperti methoxypro-pionitrile, acetonitrile, atau γ Butyrolactone. Penggunaan pelarut organik memiliki beberapa keuntungan yaitu 19

14 viskositas rendah, difusi ion cepat, efisiensi tinggi, mudah dibuat dan terserap banyak ke lapisan TiO 2. Fungsi larutan elektrolit pada DSSC antara lain: 1. Sebegai regenerasi muatan pada molekul dye. 2. Transportasi muatan dalam pasangan redoks sebagai penyeimbang konsentrasi redoks. 3. Pengisi ruangan antara TiO 2 dengan permukaan elektroda lawan. Pasangan redoks pada elektrolit (I - /I - 3 ) memiliki potensial sebesar 0,53 V terhadap NHE (Normal Hydrogen Energy). Nilai ini lebih besar dari potensial maksimum pada tingkat HOMO dye, sehingga elektrolit dapat mereduksi molekul dye yang teroksidasi. 2.7 Dye-Sensitizer Sensitizer adalah materialyang memberikan pengaruh sensitisasi semikonduktor terhadap cahaya (Rahman, 2009). Dye-sensitizer pada DSSC adalah zat warna yang dapat bertindak sebagai penyerap energi fotonatauphotosensitizer. Molekul dye menyerap foton dari cahaya matahari yang datang, dengan energi foton tersebut akan mengeksitasikan elektronnya dari level HOMO ke level LUMO dan menginjeksikan elektron tersebut ke pita konduksi semikonduktor TiO Buah Delima Buah delima (pomegranate fruits) adalah tanaman buah-buahan yang dapat tumbuh hingga 5-8 m. Tanaman ini diperkirakan berasal dari Iran, namun telah 20

15 lama dikembangbiakkan di daerah Mediterania. Bangsa Moor memberi nama salah satu kota kuno di Spanyol, Granada berdasarkan nama buah ini. Tanaman ini juga banyak ditanam di daerah Cina Selatan dan Asia Tenggara. Gambar 2.5 Buah delima Klasifikasi Ilmiah Buah Delima Krajaan Divisi Kelas Upakelas Ordo Genus Spesies Nama binomial : Plantae : Magnoliophyta : Magnoliopsida : Rosidae : Mytales : Punica : P. Granatum : Punica Granatum Umumnya orang mengenal delima karena bentuk buahnya yang menarik, sehingga sering disajikan di meja untuk dimakan segar, tanpa memperhatikan khasiatnya. Buah delima sudah matang banyak mengandung vitamin dan mineral 21

16 yang bermanfaat bagi tubuh seperti, kalsium, zat besi, vitamin A maupun C. Tidak hanya itu juga buah delima sangat banyak mengandung zat warna, terutama pigmen antosianin Antosianin Buah Delima Nama antosianin berasal dari bahasa Yunani antho-, bunga dan kyanos-, biru. Antosianin adalah pigmen larut air yang secara alami terdapat pada berbagai jenis tumbuhan dan merupakan pewarna yang paling penting dan paling tersebar luas dalam tumbuhan. Senyawa ini tergolong pigmen dan pembentuk warna pada tanaman yang ditentukan oleh ph dari lingkungannya. Dalam keadaan asam berwarna merah dan basa berwarna biru. Struktur dasar antosianin ini terdiri atas 2-fenil-benzopirilium atau plavilium klorida dengan jumlah hidroksi dan metoksi. Sebagian besar antosianin memiliki subtitusi gugus struktur 3,5,7- trihidroksiflavilium klorida dan bagian gula biasanya terikat padaa gugus hidroksil pada 3 (pada Gambar 2.4) Berikut ini adalah struktur umum antosianin: Gambar 2.6 Struktur umum antosianin Sementara subtitusi pada cincin aromatik pada jenis-jenis senyawa antosianin diperlihatkan pada Tabel

17 Tabel 2.1 Subtitusi pada cincin aromatik jenis-jenis senyawa antosianin Senyawa Pelargonidin Sianidin Delpinidin Peonidin Petunidin Malvidin Subtitusi pada cincin aromatik 3 5 -H -H -OH -H -OH -OH -OCH 3 -H -OCH 3 -OH -OCH 3 -OCH 3 Warna Orange red Purplish red Bluis purle Rosy red Purple Wine red Pada buah delima mengandung banyak antosianin, Sirimanne etal. (2006) melakukan ekstrak figmen alami buah delima (antosianin) sebagai dye-sensitizer pada DSSC pada lapisan TiO 2. Di dalam antosianin buah delima yang diekstrak mengandung sianin (sianidin 3-glukosida) atau plavilium pada ph alami (~3.4), dengan kemampuan menyerap cahaya tampak pada panjang gelombang510 nm menggunakan UV vis spektrometer (Shimadzu UV-3000). Pada ph (~3.4)keasaman antosianin akan bersifatstabil. Antosianin bersifat lebih stabil pada ph asam dan ph berpengaruh terhadap efisiensi ekstraksi antosianin (Ariviani, 2010). 23

18 2.9Ekstraksi (Sirimanneetal., 2006) Gambar 2.7Struktursianin (flavilium) Ekstaksi adalah kegiatan penarikan kandungan kimia yang dapat larut sehingga terpisah dari bahan yang tidak dapat larut dengan pelarut cair. Cairan pelarut dalam proses pembuatan ekstrak adalah pelarut yang baik (optimal) untuk senyawa kandungan yang berkhasiat atau yang aktif.dengan demikian senyawa tersebut dapat terpisahkan dari bahan dan dari senyawa kandungan lainya, serta ekstrak hanya mengandung sebagian besar senyawa kandungan yang diinginkan. Ekstraksi antosianin dari tumbuhan adalah dengan menggunakan pelarut yang mengandung asam asetat atau asam hidrokloridadan larutannya harus disimpan ditempat gelap serta sbaiknya didinginkan. Pelarut yang sering digunakan untuk mengekstrasi antosianin adalah etanol, metanaol, isopropanol, aseton atau dengan air (akuades), asam asetat, asam format, atau asam askorbat (Farima, 2009). 24