Disusun oleh : LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI M

Ukuran: px
Mulai penontonan dengan halaman:

Download "Disusun oleh : LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI M"

Transkripsi

1 KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM) Disusun oleh : LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juli, 2016 i

2 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM) LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI NIM. M Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing I Pembimbing II Dr. Sayekti Wahyuningsih, M. Si Prof. Ir. Ari H. Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D NIP NIP Anggota Tim Penguji : Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari : Selasa Tanggal : 7 Juni Prof. Dra. Neng Sri Suharty, M.S., Ph.D NIP Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si NIP Disahkan oleh Kepala Prodi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si NIP ii

3 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM) adalah benarbenar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Surakarta, Juli 2016 LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI iii

4 KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM) LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta ABSTRAK Telah dilakukan penelitian mengenai kenerja Solid State Dye Sensitized Solar Cell (SSDSSC) berbasis pn junction dengan TiO2 nanorods sebagai fotoanoda dan CuSCN sebagai hole transport material (HTM). TiO2 nanorods disintesis dengan tahapan mekanikakimia ball milling pada kecepatan 1000 rpm selama 5 jam dan hidrotermal perlakuan basa kuat NaOH 12 M pada suhu 150 o C selama 24 jam dengan variasi kalsinasi pada suhu 400, 500, dan 600 o C. Sintesis CuSCN membutuhkan kation Cu(I) sebagai ion Cu yang dihasilkan dari pembentukan kompleks ion Cu(II) dengan Na2S2O3 dan anion KSCN sebagai sumber ion tiosianat. CuSCN disintesis dengan variasi konsentrasi prekursor CuSO4.5H2O, Na2S2O3, dan KSCN. CuSCN berperan dalam regenerasi elektron-hole sebagai hole transport material (HTM) dengan mekanisme hopping pada SSDSSC. Material dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), dan Transmission Electron Microscope (TEM). Perlakuan mekanikakimia ball milling menunjukkan adanya transormasi fase TiO2 dari anatase menjadi brookite, sedangkan proses hidrotermal menunjukkan adanya fase anatase, brookite, dan rutile pada suhu kalsinasi 400 o C. Pada suhu kalsinasi 500 dan 600 o C terdiri dari dua fase brookite dan rutile. Perubahan transformasi TiO2 ke bentuk nanorods ditunjukkan oleh bentuk batang-batang oleh mikrograf TEM dan meningkatkan luas permukaan material TiO2 menjadi 111, 859 m 2 /g. Celah pita CuSCN yang dihasilkan yaitu 3,4-4,68 ev dan serapan absorbansi pada daerah UV nm yang mengindikasikan bahwa CuSCN bersifat transparan. Nilai konduktivitas optimum yaitu 1,27 x 10-4 S.m -1 yang dihasilkan oleh CuSCN A. CuSCN sebagai HTM dan rekayasa struktur fotoanoda TiO2 nanorods mampu memberikan efisiensi dengan hasil optimum pada penggunaan CuSCN A sebesar 0,097%. Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, hole transport material (HTM), SSDSSC iv

5 PERFORMANCE OF SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (SSDSSC) BASED ON pn JUNCTION WITH TiO2 NANORODS AS PHOTOANODE AND CuSCN AS HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM) LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI Departement of Chemsitry, Mathematics and Natural Science Faculty, Sebelas Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta ABSTRACT Performance of Solid State Dye Sensitized Solar Cells (SSDSSC) based on pn jucntion with TiO2 nanorods as photoanode and CuSCN as hole transport material (HTM) have been studied. Synthesis of nanorods TiO2 was conducted through mechanochemical of ball milling at speed of 1000 rpm for 5 hours and strong base NaOH 12 M reaction by hydrothermal at 150 o C overnight on variation calcination at 400, 500, and 600 o C. Synthesis of CuSCN requires the Cu(I) cations as a copper ions source which is obtained by complexing Cu(II) ions using Na2S2O3. The anion source KSCN as thiocyanate ions. CuSCN was synthesized on variation concentration of CuSO4.5H2O, Na2S2O3, and KSCN precursors. Material characterization were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), and Transmission Electron Microscope (TEM). Mechanochemical treatment by ball milling showed phase transformation of TiO2 from anatase to brookite, while strong base reaction by hydrothermal showed the presence of anatase, brookite, and rutile phase for calcination up to 400 o C. The diffraction pattern of calcination at 500 and 600 o C contains peaks of both brookite and rutile phase. Morphology transformation of TiO2 to form nanorods TiO2 was showed by rod-shaped from TEM micrographs and increase surface area into 111,859 m 2 /g. CuSCN bandgap was obtained 3, ev and absorption in the UV absorbance of nm indicating that was formed transparent CuSCN. The optimum conductivity value of 1.27 x 10-4 S.m-1 produced by CuSCN A. CuSCN as HTM and engineering structure of TiO2 nanorods as photoanode able to provide optimum efficiency of SSDSSC up to 0.097%. Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, holetransport material (HTM), SSDSSC v

6 MOTTO Ilmu itu tidaklah didapatkan dengan jasad yang santai (HR.Muslim). Maka bersabarlah dalam menuntut ilmu. Karena sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan (Q.S. Al-Insyirah: 5) vi

7 PERSEMBAHAN Karya ini kupersembahkan untuk : 1. Kedua orang tua bapak dan ibu 2. Adik-adikku 3. Rekan penelitian Rombongan Teman - teman jurusan kimia angkatan 2012 vii

8 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat, karunia, dan ijin-nya sehingga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret. Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1 2. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc. (Hons), P.hD selaku Pembimbing 2 3. Ibu Dr. Triana Kusumangsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia FMIPA UNS 4. Ibu Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku Pembimbing Akademis 5. Ibu Dr. Khoirina Dwi N., M.Si selaku ketua Laboratorium Kimia FMIPA UNS. 6. Bapak dan Ibu dosen Kimia FMIPA UNS 7. Semua pihak yang telah membantu. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin Surakarta, Juli 2016 Liya Nikmatul Maula Zulfa Saputri viii

9 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN... iii HALAMAN ABSTRAK... iv HALAMAN ABSTRACT... v HALAMAN MOTTO... vi PERSEMBAHAN... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR SIMBOL... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang... 1 B. Perumusan Masalah... 7 C. Tujuan Penelitian... 7 D. Manfaat Penelitian... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 8 A.Tinjauan Pustaka Semikonduktor tipe-n, tipe-p, dan pn junction Solid state dye sensitized solar cell (SSDSSC) Komponen SSDSSC Semikonduktor Tipe-p CuSCN sebagai HTM pada SSDSSC Semikonduktor Tipe-n TiO2 sebagai fotoanoda pada SSDSSC Analisis Instrumen B. Kerangka Pemikiran C. Hipotesis ix

10 BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Metodologi Penelitian B. Waktu dan Tempat Penelitian C. Bahan dan Alat Alat Bahan D. Prosedur Penelitian Sintesis CuSCN Sintesis TiO2 nanorods Pembentukan senyawa kompleks sebagai dye Fabrikasi DSSC Teknik Pengumpulan Data Analisis Data BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Sintesis CuSCN B. Sintesis TiO2 nanorods C. Uji Performa SSDSSC BAB V PENUTUP A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

11 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Ilustrasi level energi elektron pada semikonduktor ekstrinsik (a)semikonduktor tipe-n (b) semikonduktor tipe-p. ECB, EVB, Eg, EF menunjukkan energi pita konduksi, pita valensi, celah pita, dan Fermi... 9 Gambar 2. Diagram pita energi pn juction pada kesetimbangan termal. Ec, EF, Ei, Ev menunjukkan energi pita konduksi, fermi, instrinsik, dan valensi Gambar 3. Proses elektronik pada SSDSSC Gambar 4. Contoh nilai celah pita CuSCN Gambar 5. Struktur Kristal TiO2 (a) anatase (b) rutile (c) brookite 18 Gambar 6. Ilustrasi pergerakan elektron (a) TiO2 nanopartikel (b) TiO2 1 dimensi Gambar 7. Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu kalsinasi 400 hingga 800 C Gambar 8. Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu 22 kalsinasi 400 hingga 1000 C... Gambar 9. Contoh pola difraktogram TiO2 ball milling pada 24 variasi kecepatan 400, 500, 600 rpm hasil Rietvield refinement... Gambar 10. Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada sampel Gambar 11. Morfologi TEM material TiO Gambar 12. Spektrum UV-Vis kompleks Fe-polipiridil Gambar 13. Penentuan celah pita energi CuSCN Gambar 14. Skema ilustrasi lapis tipis TiO Gambar 15. Pola difraktogram X-Ray (a) standar JCPDS α & β CuSCN (b) CuSCN A (c) CuSCN B (d) CuSCN C xi

12 Gambar 16. Pola difraktogram hasil proses Rietvield refinement 44 CuSCN... Gambar 17. Morfologi SEM CuSCN A, B, dan C Gambar 18. Spektra absorbansi ( ) CuSCN A ( ) CuSCN B ( ) CuSCN C Gambar 19. Nilai celah pita ( ) CuSCN A ( ) CuSCN B ( ) CuSCN C Gambar 20. Spektra konduktivitas ( ) CuSCN A ( ) CuSCN B ( ) CuSCN C Gambar 21. Pola difraktogram X-Ray (a) Standar JCPDS No fase brookite (b) Standar JCPDS No fase anatase (c) TiO2 teknis (d) TiO2 hasil milling. A=anatase, B=brookite. 48 Gambar 22. Skema mekanisme reaksi pembentukan TiO Gambar 23. Pola difraktogram X-Ray TiO2 hasil hidrotermal dengan variasi kalsinasi (a) 400, (b) 500, dan (c) 600 C. A: anatase, B: brookite, R: rutile Gambar 24. Morfologi TEM pada TiO2 nanorods diperoleh dari proses hidrotermal dan kalsinasi 600 C Gambar 25. (a) Spektra UV-Vis ( )TiO2 ( ) TiO2 dye ( ) TiO2 tersensitasi dye (b) Ilustrasi TiO2 tersensitasi dye 54 kompleks Fe(dcbq)(bpy)... Gambar 26. Kurva arus-tegangan SSDSSC pada CuSCN A xii

13 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Persentase fase TiO2 proses milling Tabel 2. Konsentrasi masing-masing prekursor dalam pembentukan CuSCN Tabel 3. Hasil proses Rietvield Refinement CuSCN. Rwp = R-bobot pola difraksi, Rp = R-reabilitas, dan GOF = goodnes-of-fit.. 43 Tabel 4. Persentase fase CuSCN A, B, dan C Tabel 5. Ukuran kristal CuSCN A, B, dan C Tabel 6. Ukuran kristal TiO2 teknis dan hasil proses milling Tabel 7. Ukuran kristal TiO2 pada variasi suhu kalsinasi Tabel 8. Persentase fase TiO2 pada variasi suhu kalsinasi Tabel 9. Luas permukaan TiO2 hasil proses milling dan nanorods 53 Tabel 10. Karakteristik kinerja SSDSSC xiii

14 DAFTAR SIMBOL A A A A A B A R B D Eg h η Ipp Isc k k A k B l λ Pin ρ θ R σ Voc Vpp ν W A W B W R luas penampang material konstanta celah pita intensitas tertinggi fase anatase intensitas tertinggi fase brookite intensitas tertinggi fase rutile lebar dari setengah puncak difraksi maksimum ukuran kristal celah pita konstanta Plack efisiensi arus maksimum arus pendek yang terukur konstanta proporsionalitas koefisien anatase koefisien brookite tebal pellet panjang gelombang sumber sinar yang diberikan massa jenis sudut Bragg resistivitas konduktivitas voltase rangkaian terbuka yang terukur voltase maksimum kecepatan cahaya persentase fase anatase persentase fase brookite persentase fase rutile xiv

15 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Standar JCPDS TiO Lampiran 2. Perhitungan ukuran kristal Lampiran 3. Perhitungan persentase fase TiO Lampiran 4. Nilai konduktivitas CuSCN Lampiran 5. Perhitungan efisiensi SSDSSC xv