Pengaruh Ketebalan Elektroda Kerja TiO 2 Transparan terhadap Kinerja Dye sensitized Solar Cell (DSSC) sebagai Aplikasi Solar Window

Transkripsi

1 ISSN: Indonesian Journal of Applied Physics (2016) Vol. 6 No. 02 Halaman 1 Oktober 2016 Pengaruh Ketebalan Elektroda Kerja TiO 2 Transparan terhadap Kinerja Dye sensitized Solar Cell (DSSC) sebagai Aplikasi Solar Window Fahru Nurosyid *, Agus Supriyanto dan Nadya Aruma D Physics Department, Universitas Sebelas Maret Surakarta nurosyid@yahoo.com ABSTRACT Senditized Dye Solar Cells (DSSC) consist of photoelectrode, dye, electrolyte and counter electrode which is one of the photochemical electric cells. In this article will discuss the influence of the thickness of the electrode on the electrical properties. Electrodes made by screen printing method. Screen by type T-49. TiO2 deposited on the FTO variation of the number of layers to obtain a thickness of 1, 2, 3 and 4. DSSC tested thickness by Screen Electron Microscopy (SEM), absorbance test by UV Visible Lambda 25 and characterization of current and voltage test by Keithley Measurenment 2602A. The test results showed the thickness of the TiO2 electrode thickness (1.5 ± 0.2) μm, (2.9 ± 0.5) μm, (3.5 ± 0.6) μm, and (4.5 ± 0.8 ) μm. Based on the test results absorbance maximum value contained in thickness (4.5 ± 0.8) μm having a dye adsorbed at most and have the highest efficiency 2.41%. ABSTRAK Keywords: Solar Cell, screen printing, TiO2 transparent, thickness Dye Senditized Solar Cells (DSSC) terdiri dari fotoelektroda, pewarna, elektrolit dan counter elektroda yang merupakan salah satu sel listrik fotokimia. Pada artikel ini akan dibahas pengaruh ketebalan elektroda pada sifat listrik. Pembuatan elektroda menggunakan metode screen printing. Screen yang digunakan adalah type T-49. TiO 2 dideposisi pada FTO dengan variasi jumlah lapisan untuk memperoleh ketebalan 1, 2, 3 dan 4. DSSC diuji ketebalan menggunakan Screen Electron Microscopy (SEM), uji absorbansi menggunakan spektrofotometer UV Visible Lambda 25 dan uji karakterisasi arus dan tegangan (I-V) menggunakan Keithley Measurenment 2602A. Hasil uji menujukkan ketebalan elektroda TiO 2 dari ketebalan (1,5 ± 0,2) μm, (2,9 ± 0,5) μm, (3,5 ± 0,6) μm, dan (4,5 ± 0,8) µm. Berdasarkan hasil uji absorbansi nilai maksimum terdapat pada ketebalan (4,5 ± 0,8) µm yang mempunyai dye terabsorp paling banyak dan memiliki nilai efisiensi paling tinggi yaitu 2,41%. Kata kunci : Solar Cell, screen printing, TiO 2 transparan, ketebalan PENDAHULUAN Sel surya merupakan piranti yang dapat merubah sinar matahari menjadi listrik disebut efek fotovoltaik [1]. Teknologi sel surya yang dikembangkan saat ini ada tiga generasi diantaranya: sel surya menggunakan bahan silikon dan kristal tunggal [2], sel surya dengan teknologi lapisan tipis (thin film) berbahan semikonduktor organik [3], dan sel surya organik berbasis dye sensitized [2,4,5]. Struktur DSSC terdiri dari beberapa komponen, antara lain: lapisan semikonduktor, zat pewarna (dye), elektrolit dan katalis. Lapisan semikonduktor merupakan lapisan yang tersintesi dengan dye yang bekerja sebagai katoda. DSSC tersusun dari dua elektroda yakni elektroda kerja dan elektroda lawan. Elektroda berperan sangat penting dalam DSSC. Beberapa peran elektroda untuk DSSC antara lain: elektroda tidak mudah teroksidasi & tereduksi tidak berinteferensi, elektroda dapat cukup kecil disisipkan volume larutan yang sangat kecil dan tidak ada permukaan katalis yang hilang oleh kontaminasi platina [6,7].

2 Pengaruh Ketebalan Elektroda 2 Elektroda kerja pada DSSC juga berfungsi sebagai tempat absorpsi dye. Pada penelitian ini semikonduktor yang digunakan adalah TiO2 transparan. Ketrasparanan lapisan sangat berpengaruh pada absorbansi dan efisiensi DSSC. Lapisan TiO2 transparan dapat menjadi penyebab naiknya nilai absorbansi yakni semakin tidak transparan lapisan maka nilai absorbansinya semakin besar[8]. Berdasarkan beberapa keterangan elektroda kerja, maka perlu adanya kajian. Kajian tentang tebal tipisnya lapisan untuk mengetahui pengaruh terhadap efisiensi DSSC. Oleh karena itu, artikel ini bertujuan untuk menyampaikan pengaruh variasi ketebalan, sifat optik dan sifat listrik DSSC. Aplikasi dari DSSC cukup banyak salah satunya adalah solar window. Solar window merupakan inovasi yang dapat diaplikasikan pada sebuah bangunan. Proses pembuatannya memerlukan bahan yang dapat memberi efek transparanan pada jendela, oleh karena itu TiO2 18NR-T dipilih sebagai semikonduktornya. TiO2 18NR-T merupakan bahan semikonduktor yang transparan [9]. METODE Substrat yang digunakan adalah kaca FTO merek Dyesol dengan resistansi 7 Ω/sq. Semikonduktor yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasta TiO2 18NR-T yang bersifat transparan. Pewarna yang digunakan adalah Ruthenium complex N719 merk Dyesol. Elektrolit yang digunakan adalah El-HPE dengan merk Dyesol. Fabrikasi untuk pelapisan TiO2 ke substrat dilakukan dengan metode screen printing. Sebelumnya kaca FTO dibersihkan menggunakan ultrasonic cleaner selama 10 menit. Elektroda kerja divariasi dengan memvariasi jumlah lapisan saat proses deposisi pasta TiO2 ke FTO. Deposisi pasta TiO2 dilakukan dengan menggunakan screen. Hasil lapisan TiO2 yang telah dideposisi kemudian diuji ketebalan menggunakan Screen Electron Microscopy (SEM). Screen yang digunakan adalah tipe T-49 [10]. Screen T-49 adalah screen dengan 49 mesh tiap cm. Area sel aktif TiO2 yang digunakan sebesar 1 cm 2. Substrat FTO yang telah terdeposisi oleh pasta TiO2, disintering dengan suhu C selama 10 menit. Proses pewarnaan dilakukan dengan merendam substrat terlapisi TiO2 ke dalam dye Ruthenium N719 selama 24 jam. Elektroda lawan difabrikasi dengan menggunakan Platina. Elektroda lawan disintering pada suhu C selama 10 menit. Struktur sandwich DSSC tersusun atas elektroda kerja TiO2 tersensitisasi dye dan elektroda lawan. Ruang antar elektroda diinjeksikan larutan elektolit yang berfungsi sebagai recharge electron melalui reaksi redoks. Lapisan TiO2 hasil deposisi kemudian diuji absorbansi menggunakan UV-Vis Spectrophotometer Lambda25. Adapun untuk mengetahui sifat listrik, DSSC diuji dengan I-V Keithley Measurenment 2602A. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian SEM pada sampel dilakukan untuk mengetahui ketebalan lapisan TiO2 yang telah dideposisi pada substrat dengan ketebalan lapisan yang berbeda. Hasil pengujian ketebalan lapisan dapat dilihat pada Gambar 1:

3 Pengaruh Ketebalan Elektroda 3 a. b. c. d. Gambar 1. (Colour Online) Hasil cross-section SEM dengan lapisan TiO 2 transparan (a) ketebalan (1,5 ± 0,2) μm (b) ketebalan (2,9 ± 0,5) μm ketebalan (3,5 ± 0,6) μm (d) ketebalan(4,5 ± 0,8) µm Gambar 1 menujukan hasil pengujian ketebalan TiO2. Hasil pengujian SEM nilai terbesar ditunjukkan pada ketebalan lapisan TiO2 (4,5 ± 0,8) μm dan nilai terendah ditunjukkan pada ketebalan (1,5 ± 0,2) μm. Ketebalan dipengaruhi oleh 3rea3en lapisan, semakin bertambahnya 3rea3en lapisan yang terdistribusi pada FTO maka semakin besar nilai ketebalanya. Substrat yang terdistribusi oleh partikel TiO2 berfungsi sebagai tempat penyerapan molekul dye. Ketebalan pada setiap substrat menunjukkan semakin banyak partikel TiO2 yang menempel dan menyebabkan semakin banyak molekul dye yang terdeposisi. Molekul dye yang terdeposisi pada substrat berfungsi sebagai photosensitizer yang dapat mengeksitasi elektron pada saat dikenai foton. Pengujian menggunakan alat UV-Vis Spectrophotometre Lambda 25. Rentang panjang gelombang yang digunakan dalam pengukuran spektrum absorbansi dari nm.

4 Pengaruh Ketebalan Elektroda 4 a B Gambar 2. Kurva Absorbansi Lapisan TiO 2 18NR-T (a) sebelum direndam dye (b) sesudah direndam dye Gambar 2(a) merupakan kurva lapisan TiO2 sebelum direndam dye. Pada kurva ini berurutan dari nilai absorbansi tertinggi ke rendah yakni ketebalan: (4,5 ± 0,8) µm, (3,5 ± 0,6) μm, (2,9 ± 0,5) μm, dan (1,5 ± 0,2) μm.. Hasil pada kurva sebelum direndam dye menujukan sifat serapan TiO2 sehingga absorbansi meningkat sesuai variasi ketebalan lapisan. Hal ini sesuai dengan hukum Lambert Beer bahwa serapan berbanding lurus terhadap ketebalan sel yang disinari [11]. Faktor lain penyebab naiknya nilai absorbansi yakni semakin tidak transparan lapisan maka nilai absorbansinya semakin besar[8]. Gambar 2(b) Kurva lapisan TiO2 setelah direndam dye Ruthenium N719 menunjukkan hal yang sama dengan kurva lapisan sebelum direndam dye. Nilai absorbansi tertinggi ke rendah yakni ketebalan: (4,5 ± 0,8) µm, (3,5 ± 0,6) μm, (2,9 ± 0,5) μm, dan (1,5 ± 0,2) μm.. Ketebalan (4,5 ± 0,8) µm, (3,5 ± 0,6) μm, (2,9 ± 0,5) μm, dan (1,5 ± 0,2) μm mengalami perubahan absorbansi pada range panjang gelombang 400nm-600nm. Pada panjang gelombang 400nm-600nm merupakan karaterisasi dari Ruthenium Complex. Hasil pada kurva menujukkan bahwa substrat yang terdeposisi TiO2 dan sesudah direndam mengalami penyerapan dye sehingga absorbansi naik. Sifat listrik diuji menggunakan perangkat pengukuran Keithey 2602ª untuk mengetahui karakteristik arus dan tegangan (I-V) dari piranti DSSC tersebut. Pengukuran dilakukan dengan diberi penyinaran menggunakan lampu Xenon berinensitas cahaya 1000W/m 2. Luas 4rea DSSC yang disinari yakni 1x10-4 m 2.

5 Pengaruh Ketebalan Elektroda Ampere (I) Ketebalan (1,5 ± 0,2)µm Ketebalan (2,9 ± 0,5)µm Ketebalan (3,5 ± 0,6)µm Ketebalan (4,5 ± 0,8)µm Volt (V) Gambar 3. Kurva Karakteristik Arus-Tegangan (I-V) DSSC Berdasarkan Gambar 3 menunjukkan hasil karakteisasi I-V dari sel surya dengan lapisan TiO2 yang berbeda. Grafik tersebut menunjukkan kondisi dioda yang ideal ketika disinari. Pada kondisi inilah akan terjadi eksitasi elektron yang menimbulkan arus. Nilai efisiensi tertinggi yang diperoleh dari DSSC dengan perbedaan lapisan disajikan pada tabel dibawah ini: Tabel 1. Parameter Konversi Energi terhadap Variasi Ketebalan TiO2 18NR-T Lapisan Pmax Imax Vmax Isc Voc Eff % (Mv) (Ma) (Mv) (Ma) (Mv) Fill Factor (1,5 ± 0,2) μm 0, , , , , , ,32 (2,9 ± 0,5) μm 0, , , , , , ,74 (3,5 ± 0,6) μm 0, , , , , , ,93 (4,5 ± 0,8)µm 0, , , , , , ,41 Nilai efisiensi tertinggi diambil dari DSSC dengan ketebalan (4,5 ± 0,8) µm. Hal tersebut terlihat dari Tabel 1 ketika substrat menyerap dye terjadi eksitasi elektron dan mengakibatkan absorbansi foton. Sifat tersebut merupakan salah satu dari peran TiO2. Energi foton terserap banyak oleh dye yang menempel pada permukaan TiO2, sehingga dye mendapatkan energi cukup banyak untuk tereksitasi. Dye tereksitasi membawa energi dan diinjeksikan ke pita konduksi [12]. Ternyata semakin tebal DSSC maka semakin meningkat absorp dye-nya. Hal tersebut dilihat dari hasil uji sifat listrik dan dikaitkan dengan hasil uji sifat optik. Semakin banyak dye yang di absrop maka efisiensinya ikut meningkat. Data tersebut didukung dari uji ketebalan lapisan menggunakan SEM, uji optik menggunakan UV-Vis spectrophotometer dan uji kelistrikan menggunakan I-V Keithley Measurenment, dengan menunjukkan tingkat absorbansi pada DSSC ketebalan (4,5 ± 0,8) µm memiliki puncak tertinggi dibandingkan 3 ketebalan lainnya.

6 Pengaruh Ketebalan Elektroda 6 KESIMPULAN Penelitian yang sudah dilakukan ini, dapat disimpulkan bahwa ketebalan lapisan mempengaruhi hasil efisiensi dan absorbansi DSSC. Ketebalan lapisan terbesar diperoleh dengan screen T-49. Nilai ketebalan lapisan TiO2 terbesar diperoleh dari ketebalan (4,5 ± 0,8) μm yang mampu mengabsorp dye paling banyak dan puncak absorbansi paling tinggi diantara 3 ketebalan lainnya serta memiliki efisiensi paling tinggi 2,41 %. Banyaknya intensitas yang diserap dye, membuat jumlah foton terlibat pada proses konversi sehingga arus semakin besar. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimaksih kepada Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat Kementrian Riset, Teknologi dan Perguruan Tinggi dan Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat, Universitas Sebelas Maret atas pendanaan hibah penelitian PUPT. (Nomor.Kontrak : 353/UN27.21/PN/2016). DAFTAR PUSTAKA 1. West Keld. (2003). Solar Cell Beyond Silicon. Riso National Laboratory. 2. Kim, D.S., Gabor, A.M., Yelundur, V., Upadhyaya, A.D., Meemongkolkiat, V., Rohatgi. A. (18 May 2003). "String ribbon silicon solar cells with 17.8% efficiency" (PDF). Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, : ISBN Sutrisno. (2012). TEKNOLOGI SEL SURYA Oktober Halme J. (2002). Dye Sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells : Technical Review And Preeliminary Test. Master Thesis of Helsinki University of Technology. 5. Gratzel M and O Regan, M, (1991), A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO 2 films, Nature 353, (24 Oktober 1991) 6. Fahyuan, H D., Samsidar., Farid, F., Heriyanti., Napitupulu, S., Pakpahan, S. (2015). Disain Prototipe Sel Surya DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) Lapisan Grafit/TiO2 Berbasisb Dye Alami. Prodi Fisika FST Universitas Jambi JoP, Vol. 1 N0. 1, November 2015: Hikmah, I., dan Prajitno, G.(2015). Pengaruh Penggunaan Gel-Electrolyte pada Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) berbasis TiO2 Nanopartikel dengan Ekstrak Murbei (Morus) sebagai Dye Sensitizer pada Substrat Kaca ITO. JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 4, No.1, (2015) Trimuda, G.E. dan Maddu A. (2010). Pengaruh Ketebalan terhadap Sifat Optik Lapisan Semikonduktor Cu2O yang Dideposisikan dengan Metode Chemical Bath Deposition (CBD). Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH, Volume Widiyandari, H., Purwanto, A., Hidayanto, E., Diharjo, K., Suyitno. (29-30 Nop 2012). Fabrikasi Gelas Transparan Konduktif FTO (Flourine-doped tin oxide) dan Aplikasinya pada sel surya berbasis dye (DSSC). Prosiding InSINas, Nano Vol 5 No 6, pp Nurosyid, F., Furqoni, L., Suryana, R., Supriyanto, A. (2015). Effect of Screen Printing Type on Transparent TiO2 layer as the Working Electrode of Dye sensitized Solar Cell (DSSC) for Solar Windows Applications. International Conference and Exhibition Sustainable Energy and Advanced Material. 11. Day, R.A., dan Underwood, A.L. (1999). Analisis Kimia Kuantitatif. Penerjemah: Pujaatmaka, A.H. Edisi ke V. Jakarta: Erlangga: hal. 393, Prasada, Ashari Bayu., Hardani., Cari., Supriyanto, A. (2015). Studi Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) Menggunakan Ekstrak Sansevieria Trifasciata (Daun

7 Pengaruh Ketebalan Elektroda 7 Lidah Mertua). Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015 ISSN : 0853-