SINTESIS NANOPARTIKEL TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA STRUKTUR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

Transkripsi

1 SINTESIS NANOPARTIKEL TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA STRUKTUR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) Disusun Oleh : NAFI AH ARDHANI M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juli, 2013 i

2 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi dengan judul : SINTESIS NANOPARTIKEL TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA STRUKTUR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) Yang ditulis oleh : Nama : Nafi ah Ardhani NIM : M Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada Hari : Selasa Tanggal : 23 Juli 2013 Anggota tim penguji : 1. Nama : Drs. Suharyana, M.Sc. NIP : Nama : Khairuddin, S.Si., M.Phil., Ph.D. NIP : Nama : Dr. Eng. Risa Suryana, S.Si., M.Si. NIP : Nama : Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si. NIP : ii

3 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul SINTESIS NANOPARTIKEL TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA STRUKTUR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, 23 Juli 2013 NAFI AH ARDHANI iii

4 SINTESIS NANOPARTIKEL TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA STRUKTUR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) NAFI AH ARDHANI Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Nanopartikel TiO 2 telah berhasil disintesis melalui metode sol gel dengan bahan utama TTIP dan HClO 4. Etanol dan akuades digunakan sebagai pelarut dalam reaksi hidrolisis. Rasio massa (Rw) antara akuades dan TTIP divariasi menjadi 0,85; 2,00; dan 3,50. Pre-heating dilakukan pada 60 o C selama satu hari sebelum di-annealing pada 150 o C selama 3 jam. Spektrum XRD menunjukkan bahwa puncak TiO 2 fasa anatase dominan pada orientasi kristal (101), (004), dan (200) pada masing-masing sudut 25,3 o, 37,8 o, dan 48,1 o, sedangkan fase rutile dominan pada orientasi (211) pada sudut 54,3 o. Intensitas paling tinggi didominasi oleh fasa anatase (101). Metode Scherrer memperkirakan bahwa ukuran kristal (101) pada Rw 0,85; 2,00; dan 3,50 masing-masing adalah 3,48 nm, 4,36 nm, dan 4,47 nm. Hal ini didukung oleh data XRD yang mendemonstrasikan kenaikan puncak (101) terhadap kenaikan Rw. Metode Tauc memperkirakan bahwa energi celah pita TiO 2 terbesar (3,14 ev) pada Rw 2,00 lebih besar daripada Rw 0,85 dan 3,50 (3,02 ev dan 3,04 ev). Besarnya energi celah pita berkaitan dengan ketebalan lapisan TiO 2. TiO 2 hasil sintesis diaplikasikan pada DSSC dengan dye berupa β-carotene dari wortel. Efisiensi untuk masing-masing sampel adalah sampel 1 2,36 ± 0, %, sampel 2 1,01 ± 0, % dan sampel 3 1,65 ± 0, %. Efisiensi tertinggi bernilai 10 kali lipatnya jika dibandingkan dengan menggunakan TiO 2 pure rutile. Kata kunci: Nanopartikel TiO 2, metode sol gel, TTIP, metode Scherrer, metode Tauc, efisiensi iv

5 SYNTHESES OF TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) NANOPARTICLES AND ITS APPLICATION TO SOLAR CELL WITH DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) STRUCTURES NAFI AH ARDHANI Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT TiO 2 nanoparticles have been synthesized via sol gel method with the main material was TTIP and HClO 4. Ethanol and aquadest was used as solvent in hydrolysis reaction. The mass ratio (Rw) between aquadest and TTIP have been variated to 0.85; 2.00; and Pre-heating has been done at 60 o C for one day before annealed at 150 o C for 3 hours. XRD spectra showed that anatase TiO 2 peaks were dominant on crystal orientation (101); (004); and (200) at 25.3 o ; 37.8 o ; and 48.1 o ; respectively, while the dominant orientation of the rutile phase appeared on (211) orientation at 54.3 o. The highest intensity was dominated by the anatase phase (101). Scherrer s method estimated that the crystallite size (101) at Rw 0.85; 2.00; and 3.50 were 3.48 nm; 4.36 nm; and 4.47 nm, respectively. These results were supported by the XRD data demonstrating a (101) peak increasing to the Rw increasing. Tauc s method estimated that the highest band gap energy of TiO 2 at Rw 2.00 was 3.14 ev. This value was higher than Rw 0.85 and 3.50 (3.02 ev and 3.04 ev). The value of band gap energy related with the thickness of TiO 2 layer. Synthesized TiO 2 was applied in the DSSC with β-carotene from carrot as dye. The efficiency for each sample was sample ± %, sample ± % and sample ± %. The highest efficiency was 10 times when the TiO 2 pure rutile was applied in the DSSC. Keywords: TiO 2 nanoparticles, sol gel method, TTIP, Scherrer s method, Tauc s method, efficiency v

6 HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN Aisyah R.A berkata : Rassulullah S.A.W bersabda : Sesungguhnya Allah lunak dan tenang, suka pada ketenangan dalam semua urusan (Buchary, Muslim) Dan siapa yang sabar dan memaafkan, maka itu termasuk amal yang sangat baik (Asy Syuraa 43) Allah selalu membantu kepada hamba, selama hamba itu membantu kepada saudaranya (Buchary, Muslim) Rendahkan sayapmu kepada sesama orang mu min (Al Hijr 88) Karya kecil dan tak bernilai ini saya persembahkan untuk : My Dearest Mother My Loving Father vi

7 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah serta inayahnya sehingga laporan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik dan tepat waktu. Sholawat serta salam senantiasa penulis haturkan kepada Rosulullah SAW. Skripsi yang berjudul SINTESIS NANOPARTIKEL TITANIUM DIOXIDE (TiO 2 ) DAN APLIKASINYA PADA SEL SURYA STRUKTUR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Sains. Penyusunan laporan skripsi ini dapat terselesaikan berkat bantuan dari berbagai pihak, maka dari itu pada kesempatan ini penulis ucapkan terimakasih kepada : 1. Ayah dan ibu tercinta yang tiada henti selalu mendo akan dan mendukung 2. Ibu Suparmi, selaku pembimbing akademik yang telah mendidik dengan penuh kesabaran dan kasih sayang 3. Bapak Risa Suryana, selaku pembimbing pertama yang telah membimbing dengan sepenuh hati 4. Bapak Agus Supriyanto, selaku pembimbing kedua yang telah membimbing dengan kesungguhan 5. Fatimah Nur Hidayah dan Tira Ikhwani, yang selalu memberikan nuansa keceriaan di dalam indahnya persaudaraan 6. Yoga, Meisya, Elsa, Mba Dewi, Mas Fredi, Mba Nia, Mas Boy, Mba Nita, Mba Eka yang telah membantu dalam penelitian 7. Wachid, Yudha, Kak Elyas, Nana, Bang A in, Egyn, Didi, Veetha, Evi, R.R., Kak Nanik, Ajeng, Eki, Kak Dwi, Silvi, Rizki, Comptoners yang telah memberikan spektrum warna berbeda di kehidupan 8. Galaksi 2008, Inersia 2010, Fisika 2011, Fisika 2012 yang selalu memberikan kenangan tersendiri di memori hati Semoga Allah SWT membalas semua kebaikan yang telah diberikan. Dengan segala kekurangan yang ada di skripsi ini, semoga skripsi ini dapat bermanfaat. vii

8 HALAMAN PUBLIKASI Sebagian dari isi skripsi saya ini telah diterima oleh tim redaksi FOTON, Jurnal Fisika dan Pembelajarannya. Dan telah dipublikasikan pada jurnal FOTON: Fisika dan Pembelajarannya dengan ISSN Volume 17 Nomor 1 Bulan Pebruari viii

9 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL.. i HALAMAN PENGESAHAN ii HALAMAN PERNYATAAN... iii HALAMAN ABSTRAK iv HALAMAN ABSTRACT. v HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN vi KATA PENGANTAR vii HALAMAN PUBLIKASI. viii DAFTAR ISI.. ix DAFTAR GAMBAR. xi DAFTAR SIMBOL xii DAFTAR LAMPIRAN.. xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Batasan Masalah Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) Material DSSC Substrat Titanium Dioxide (TiO 2 ) Dye Sensitizer β-carotene Sebagai Dye Elektrolit Elektroda Lawan Sintesis TiO 2 dengan Metode Sol Gel Spectrophotometer UV-Vis X-ray Difraction Atomic Force Microscopy (AFM) 14 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Alat Penelitian Bahan Penelitian Prosedur Penelitian Sintesis TiO Karakterisasi Struktur dan Ukuran TiO Pembuatan Elektrolit Ekstraksi β-carotene Wortel Karakterisasi commit to Dye user β-carotene ix

10 Karakterisasi Absorbansi Dye β-carotene Karakterisasi Arus dan Tegangan Dye β-carotene Pembuatan Lapisan TiO Pembuatan Pasta TiO Deposisi Lapisan TiO Karakterisasi Lapisan TiO Pengukuran Ketebalan Lapisan TiO Karakterisasi Absorbansi Lapisan TiO Pembuatan Elektroda Lawan Fabrikasi DSSC Karakterisasi Arus dan Tegangan DSSC BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi XRD Serbuk TiO Karakterisasi Lapisan TiO Karakterisasi Dye Karakterisasi Elektrolit Karakterisasi DSSC BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA 43 LAMPIRAN-LAMPIRAN. 49 x

11 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Susunan DSSC. 5 Gambar 2.2. Prinsip Kerja DSSC. 6 Gambar 2.3. Struktur Kristal TiO 2 Fase (A) Anatase, (B) Rutile, (C) Brookite.. 6 Gambar 2.4. Struktur Molekul β-carotene... 8 Gambar 2.5. Spektrum Serapan β-carotene... 9 Gambar 2.6. Peran Elektrolit dalam DSSC Gambar 2.7. Prinsip Kerja Spectrophotometer UV-Vis 12 Gambar 2.8. Skema Difraksi Sinar-X Gambar 2.9. Skema Diagram X-ray Difractometer.. 14 Gambar (a) Pembelokan pada Cantilever (b) Ujung Tip Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Gambar 3.2. Diagram Alir Sintesis TiO Gambar 4.1. Serbuk TiO 2 dengan Rw 2, Gambar 4.2. Pola Difraksi Hasil Karakterisasi XRD Serbuk TiO 2 Rw 2,00 dengan Sumber Sinar-X adalah Cu, λ Cu Bernilai 0,15406 nm Gambar 4.3. Kurva FWHM pada Sampel 1 Orientasi (101) Gambar 4.4. Ketebalan Lapisan TiO 2 Diukur dengan Menggunakan AFM pada (a) Sampel 1, (b) Sampel 2, dan (c) Sampel Gambar 4.5. Spektrum Absorbansi Lapisan TiO 2 33 Gambar 4.6. Kurva hv terhadap αhv 1/2 untuk Sampel 2 dengan E g Diperkirakan dari Perpotongan Garis Singgung dengan Sumbu-x.. 33 Gambar 4.7. β-carotene Hasil Ekstraksi Gambar 4.8. Spektrum Absorbansi β-carotene Hasil Ekstraksi Gambar 4.9. Spektrum I-V pada β-carotene. 35 Gambar Spektrum I-V pada Elektrolit Gambar Grafik Karakterisasi DSSC pada (a) Sampel 1 dengan Rw 0,85 (b) Sampel 2 dengan Rw 2,00 dan (c) Sampel 3 dengan Rw 3, Gambar Skema Penentuan I m, V m, I sc, dan V oc dari Kurva I-V. 39 xi

12 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan n Orde pemantulan - d Jarak antar atom nanometer (nm) λ Panjang gelombang nanometer (nm) D Ukuran kristal nanometer (nm) k Konstanta Scherrer - β Full Width at Half Maximum (FWHM) radian (rad) E g Energi celah pita elektron volt (ev) I m Arus maksimum Ampere (A) V m Tegangan maksimum Volt (V) I sc Arus short circuit Ampere (A) V oc Tegangan open circuit Volt (V) FF Fill Factor - P out Daya masukan Watt (W) P in Daya keluaran Watt (W) I Intensitas cahaya Watt/m 2 (W/m 2 ) η Efisiensi persen (%) σ Konduktivitas Ωm 1 A Luas meter (m) l Lebar meter (m) p Panjang meter (m) xii

13 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Grafik XRD Ketiga Sampel dengan Sumber Sinar-X adalah Cu, λ Cu bernilai 0,15406 nm.. 49 Lampiran 2 Database JCPDS Kristal TiO Lampiran 3 Data Sudut 2θ dan Fase Kristal yang Terbentuk pada Sampel Lampiran 4 Data Perhitungan Ukuran Kristal dengan Metode Scherrer. 53 Lampiran 5 Perhitungan Ukuran Kristal.. 54 Lampiran 6 Grafik Energi Celah Pita TiO Lampiran 7 Perhitungan Konduktivitas Dye dan Elektrolit Lampiran 8 Perhitungan Efisiensi DSSC. 63 xiii