PENDAHULUAN. Gambar 1 Kenaikan konsentrasi gas CO 2 di atmosfer (Petritsch 2000).

Transkripsi

1 PENDAHULUAN Latar Belakang Keterbatasan cadangan energi utama seperti minyak bumi dan batu bara memaksa kita untuk mencari pengganti sumber energi tersebut. Para peneliti telah memperkirakan sekitar 10 sampai 20 tahun ke depan produksi minyak global akan menurun, dengan demikian dibutuhkan energi terbarukan yang dapat diterima, baik dalam aspek ekonomi, sosial dan politik. Alasan pergantian bahan bakar minyak dengan energi baru, didukung oleh harga minyak dunia yang akan terus meningkat. Alasan lain adalah semakin banyaknya gas CO 2 yang terkandung di udara, akibat emisi yang ditimbulkan dari hasil pembakaran bahan bakar minyak. Sumber energi terbarukan dapat dibentuk dengan mengubah langsung energi matahari, energi air dan energi angin. Gambar 1 menunjukkan kenaikan konsentrasi CO 2 dari awal tahun 1700 sampai Kenaikan secara signifikan CO 2 ini dimulai sejak revolusi industri di inggris. Sel surya merupakan salah satu piranti konversi energi cahaya menjadi energi listrik yang mampu mengatasi permasalahan-permasalahan tersebut. Keterbatasan dalam segi jumlah dan harga bahan baku sel surya, merupakan salah satu hambatan pengembangan piranti ini. Oleh karena itu dikembangkanlah sel surya berbahan dasar organik (alami) yang lebih banyak dari segi jumlah dan lebih murah dari segi harga dibandingkan dengan bahan dasar sel surya konvensional. Gambar 1 Kenaikan konsentrasi gas CO 2 di atmosfer (Petritsch 2000).

2 2 Sel surya berbahan dasar organik memiliki kestabilan yang lebih rendah dibandingkan dengan sel surya konvensional (Maity, et al. 2009). Beberapa penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan kestabilan sel surya berbahan dasar organik, yaitu dengan memodifikasi bahan organik penyusun sel surya supaya memiliki ketahanan dan kestabilan yang tinggi. Ferforma sel surya organik dapat ditingkatkan dengan meningkatkan kestabilan tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sel. Kestabilan tegangan dapat ditingkatkan dengan menggunakan dua bahan semikonduktor yang berbeda, yaitu semikonduktor organik dan anorganik. Penggabungan kedua jenis semikonduktor ini akan menghasilkan sel surya hibrid organik-anorganik. Sel surya hibrid yang pernah dibuat adalah menggunakan CdS (semikonduktor anorganik) dan klorofil (semikonduktor organik) dengan struktur ITO/CdS/klorofil a/ag. Perakitan sel ini cukup sulit karena pelapisan klorofil di atas CdS dan Ag di atas klorofil masingmasing dilakukan dengan cara elektrodeposisi dan evaporasi, oleh karena itu pada penelitian ini akan dibuat sel dengan struktur ITO/CdS/Klorofil/PANI/ITO yang lebih mudah dalam perakitan dan penambahan lapisan polianilin (PANI) yang diharapkan dapat memperkecil potensial penghalang antara klorofil dengan ITO sehingga dapat meningkatkan foto generasi muatan pada sel. Perumusan Masalah Sel surya berbahan dasar organik merupakan piranti konversi energi (energi cahaya menjadi listrik) yang cukup potensial untuk dikembangkan. Murahnya biaya produksi dan ramahnya terhadap lingkungan merupakan alasan utama semakin dikembangkannya penelitian tentang ini. Adanya ketidakstabilan dari sifat bahan organik, merupakan tantangan bagi para peneliti untuk memodifikasi bahan organik tersebut agar lebih stabil. Oleh karena itu pada penelitian ini telah dilakukan pengaruh bahan organik termodifikasi terhadap kinerja sel surya. Tujuan 1. Mengamati pengaruh konsentrasi polianilin pada sel ITO/CdS/klorofil/PANI/ITO. 2. Mengamati perngaruh konsentrasi Cu pada kenaikan arus sel ITO/CdS/ klorofil /PANI/ITO.

3 3 TINJAUAN PUSTAKA Bahan Semikonduktor Berdasarkan sifat listriknya semua material dikelompokkan menjadi tiga jenis, yaitu: konduktor, semikonduktor dan isolator. Konduktor merupakan material yang memiliki banyak elektron bebas. Elektron tersebut tidak terikat di dalam material, sehingga bebas bergerak dan dapat mengalirkan arus. Isolator adalah material yang tidak memiliki elektron bebas, sehingga tidak mampu mengalirkan arus listrik. Semikonduktor merupakan material yang memiliki sifat listrik diantara konduktor dan isolator. Dalam kondisi tertentu semikonduktor dapat berprilaku seperti konduktor, dan pada kondisi lain seperti isolator (Nevile RC. 1995). Setiap atom memiliki elektron. Elektron mengorbit di dalam atom dengan tingkatan energi tertentu. Kulit-kulit yang ada pada atom menunjukkan tingkatan energi elektron. Elektron pada atom tunggal menempati orbital atom. Orbital atom elektron akan membelah ketika atom-atom mengumpul saling berdekatan. Mengumpulnya atom-atom tersebut menyebabkan jumlah orbital atom menjadi besar dan perbedaan energi diantara orbital atom tersebut mengecil sehingga akan terbentuk pita energi. Konsep pita energi sangat penting dalam mengelompokkan material sebagai konduktor, semikonduktor dan isolator. Besarnya lebar celah energi dapat menentukan apakah suatu material termasuk konduktor, semikonduktor atau isolator. Celah energi memisahkan pita valensi dengan pita konduksi. Elektron pada pita valensi dapat loncat menuju pita konduksi dengan cara menyerap sejumlah energi yang melebihi celah energi. Celah energi masing material ditunjukkan oleh Gambar 2. Gambar 2 menunjukkan bahwa isolator memiliki lebar celah energi yang paling besar. Besarnya lebar celah energi menunjukkan bahwa semakin besar energi yang dibutuhkan oleh elektron untuk bergerak dari pita valensi ke pita konduksi, sehingga isolator sangat sulit untuk menghantarkan arus listrik. Celah energi pada semikonduktor lebih kecil dibandingkan dengan isolator, sehingga energi yang dibutuhkan elektron untuk bergerak ke pita konduksi lebih kecil

4 4 dibandingkan dengan isolator. Diagram pita energi terakhir adalah pita energi konduktor. Pada konduktor, pita valensi saling bertumpang tindih dengan pita konduksi, sehingga terlihat tidak ada celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi. Gambar 3 menunjukkan pita energi di dalam semikonduktor. Pita bagian atas disebut pita konduksi karena elektron yang berada pada pita ini sangat mudah digerakan oleh medan listrik luar, sedangkan pita bagian bawah disebut pita valensi. Elektron pada pita ini terikat kuat pada atomnya dibandingkan elektron pada pita konduksi. Elektron pada pita valensi dapat melompat ke pita konduksi dengan menyerap energi yang lebih besar dari pada celah energi. Berdasarkan sumber elektron dan hole yang dihasilkan, semikonduktor dibagi menjadi semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni tanpa ada pengotor (impuritas). Jumlah muatan pembawa ditentukan oleh sifat material itu sendiri. Jumlah elektron (n) di pita konduksi pada semikonduktor intrinsik sama dengan jumlah hole di pita valensi pada kondisi suhu ruang. Pita energi pada semikonduktor intrinsik ditunjukkan oleh Gambar 4. Energi elektron Level Fermi Celah energi Level valensi Logam Semikonduktor Isolator Gambar 2 Pita-pita energi logam, semikonduktor dan isolator. Pita konduksi Celah energi Pita valensi Gambar 3 Pita energi semikonduktor (Würfel P. 2005).

5 5 Semikonduktor ekstrinsik adalah material semikonduktor yang telah dimasukkan impuritas. Elektron dan hole dihasilkan dari impuritas. Semikonduktor intrinsik dapat diubah menjadi semikonduktor ekstrinsik dengan menambahkan atom impuritas ke dalam semikonduktor intrinsik. Atom-atom yang dapat dijadikan impuritas berasal dari unsur golongan tiga dan lima pada tabel periodik. Penambahan impuritas dari golongan lima (atom pentavalen) ke dalam semikonduktor intrinsik akan menghasilkan semikonduktor tipe n. Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimoni, fosofor atau arsenik) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (Gambar 5a). Karena hasil penggabungan Si dengan atom pentavalen menghasilkan satu elektron yang tidak berpasangan, maka atom pentavalen disebut atom donor. Penambahan atom donor ini akan mengubah keadaan energi Fermi mendekat di bawah pita konduksi (Soga. 2006) (Gambar 5b). Gambar 4 Pita energi semikonduktor intrinsik (Soga. 2006).

6 6 Gambar 5 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-n (Sze dan Kwok 2007). Penambahan impuritas dari golongan tiga ke dalam semikonduktor intrinsik akan menghasilkan semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan atom trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan yang disebut lubang (hole) (Gambar 6a). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom akseptor (acceptor). Gambar 6b menunjukkan energi Fermi pada semikonduktor tipe-p mendekat ke atas pita valensi (Soga. 2006).

7 7 Gambar 6 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-p (Sze dan Kwok 2007). Selain silikon bahan semikonduktor yang sering digunakan untuk aplikasi sel surya adalah Cadmium sulphide (CdS). CdS merupakan bahan semikonduktor logam chalcogenide (II-VI) yang memliki celah energi sebesar 2,42 ev, indeks bias 2,5 dan termasuk semikonduktor tipe-n (Centinögü et al 2006). CdS sering digunakan sebagai pengganti elektroda Al pada sel surya karena tahan terhadap oksidasi. Sẽgue at al. telah memakai film CdS pada sel surya sebagai pengganti Al. Dari penelitian sebelumnya diketahui bahwa pemakaian Al sebagai elektroda pada sel surya dapat menimbulkan lapisan baru, yaitu lapisan Al 2 O 3. Lapisan ini dapat mengurangi karakteristik sel surya. Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mendeposisikan CdS pada substrat. Metode tersebut diantaranya adalah vacum evaporation, sputtering, chemical vapor deposition, spray pyrolysis, electrodeposition, dip growth, successive ionic adsorption and reaction dan chemical bath deposition (CBD). Metode yang sering digunakan untuk deposisi CdS adalah CBD. Metode CBD banyak digunakan karena lebih efisien dalam pendeposisian logam chalconide, murah, temperatur rendah dan mudah dilakukan (Centinögü et al 2006).

8 8 Metode CBD dapat menghasilkan film yang stabil, homogen dan kompak. Kualitas film yang ditumbuhkan dengan metode CBD ditentukan langsung oleh substrat dan kondisi reaksi (Zhaou et al. 2008). Reaksi pembentukan CdS dapat ditulis sebagai berikut: Suhu deposisi dapat mempengaruhi film CdS yang terbentuk. Semakin tinggi suhu deposisi, maka semakin tebal pula CdS yang tumbuh di atas substrat. Gambar 7 menunjukkan spektrum absorpsi Film CdS. CdS yang dideposisikan pada suhu ruang selama 24 jam, tidak terdeteksi dengan jelas, sedangkan CdS yang dideposisikan pada suhu 573 K terlihat dengan jelas (Zhaou et al. 2008). Suhu annaling dapat mempengaruhi ukuran kristal film CdS dan pita absorbsi cahaya. Pola XRD menunjukkan semakin tinggi suhu annaling, maka semakin tinggi juga ukuran kristal film. Hal ini terlihat dari intensitas puncak XRD milik CdS yang semakin tinggi pada bidang (001) (Gambar 8A). Besarnya suhu annaling film CdS juga dapat meningkatkan absorbansi. Semakin besar suhu annaling maka semakin besar pula aborbansinya (Gambar 8B) (Devi et al. 2008). Meningkatnya kristalinitas akan menyebabkan ukuran butir film menjadi berubah. Terjadi kenaikan ukuran butir, ketika suhu annaling ditingkatkan. Devi et al. menunjukkan terjadi perubahan ukuran butir dari 39.5 nm (tanpa annaling) menjadi nm (annaling). Hal ini terjadi karena ketika suhu dinaikan, ukuran kristal akan meningkat, sehingga ukuran butir akan meningkat pula. Besarnya suhu annaling dapat mempengaruhi celah energi CdS. Celah energi CdS akan menurun dengan naiknya suhu annaling (Devi et al. 2008).

9 9 Gambar 7 Absorpsi film CdS (a) deposisi pada suhu ruang selama 24 jam, (b) suhu 356 K selama 20 menit (c) pada suhu 537 K (Zhaou et al. 2008). A B Gambar 8 (A) Pola XRD film CdS (a) deposisi suhu 300 K, (b) annaling suhu 523 K. (B) Pita absorbsi film CdS (a) deposisi suhu 300 K (b) annaling suhu 523 K (Devi et al. 2008).

10 10 Sel Surya Sel surya adalah suatu divais yang mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik (Soga T, editor. 2006). Pada umumnya sel surya dibuat dari bahan semikonduktor anorganik, seperti silikon mono kristalin atau multi kristalin (Petritsch 2000). Sel surya konvensional seperti ini dapat menyerap cahaya matahari lebih dari 24%. Efisiensi yang telah dicapai oleh sel surya berbahan dasar material anorganik sekitar 10-20% (Hoppe et al. 2004). Efisiensi sel surya anorganik dapat ditingkatkan lagi dengan membuat tiga persambungan bahan semikonduktor yang terdiri dari GaInP, GaAs, and Ge. Sel seperti dapat menghasilkan V oc sebesar 2.26 V dan efisiensi sebesar 29% pada skala laboratorium (Hepp et al. 2005). Sel surya konvensional pada umumnya tersusun dari persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n (p-n junction). Hal terpenting pada sel surya p-n adalah adanya pemisahan muatan, yaitu hole dan elektron akibat penyinaran oleh cahaya. Adanya persambungan antara kedua tipe semikonduktor ini menyebabkan terbentuknya potensial pada persambungan dan difusi muatan. Difusi muatan terjadi karena adanya gradien konsentrasi muatan pembawa antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Difusi hole dari semikonduktor tipe-p menuju tipe-n, sedangkan elektron dari semikonduktor tipe-n menuju tipe-p. Difusi hole dan elektron tidak terjadi terus menerus, karena ketika hole meninggalkan tipe-p dan hilang di dalam tipe-n akibat rekombinasi, maka sebuah akseptor akan diionisasikan menjadi negatif di daerah tipe-p yang membentuk muatan ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positif pada daerah tipe-n, sehingga membangkitkan medan listrik yang berasal dari ruang muatan postif menuju ruang muatan negatif (Gambar 9). Medan listrik ini akan menghambat difusi hole dan elektron. Medan listrik akan bertambah kuat dengan semakin banyaknya difusi dan rekombinasi. Aliran-aliran muatan pembawa ini akan berhenti setelah terdapat keseimbangan antara aliran difusi dan aliran drift. Keseimbangan ini ditandai oleh adanya kesamaan antara level Fermi tipe-p dan tipe-n (Gambar 10).

11 11 Daerah netral Daerah deplesi Daerah netral Gambar 9 Proses pembentukan p-n junction, (-) ion akseptor, ( ) hole. (+) ion donor, ( ) elektron (Rio et al. 1999). Medan listrik Gambar 10 Pita energi saat keseimbangan termal (Soga. 2006). Pada keadaan seimbang, di dalam hubungan p-n terbentuk 1. daerah tipe-p netral: daerah dengan jumlah hole sama dengan jumlah aseptor. 2. daerah muatan ruang tipe-p: daerah diionisasikannya aseptor negatif. 3. daerah muatan ruang tipe-n: daerah diionisasikannya donor positif 4. daerah tipe-n netral: daerah dengan jumlah donor sama dengan jumlah elektron. Besarnya potensial internal pada daerah deplesi dapat dipengaruhi oleh tegangan eksternal yang dipasang pada sisi-p dan sisi-n. Pemasangan tegangan bias positif pada sisi tipe-p dan negatif pada sisi tipe-n akan menurunkan potensial internal pada daerah deplesi (Gambar 11a). Keadaan ini disebut bias maju (V F ).

12 12 Pemasangan bias maju akan menurunkan arus drift, tetapi dapat menaikkan disfusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi hole dari tipe-p ke tipe-n. Rapat arus total (J) yang mengalir pada saat persambungan p-n dibias maju adalah pertambahan rapat arus difusi pada sisi-n (J n ) dengan rapat arus difusi pada sisi-p (J p ). qvf kt J = J + = p J n J 0 e 1 (1) J 0 adalah rapat arus saturasi, k adalah konstanta Bolzman, q adalah muatan dan T adalah suhu mutlak. Pemasangan bias negatif pada sisi-p dan positif pada sisi-n akan menaikkan potensial internal pada daerah deplesi (Gambar 11 b). Keadaan ini disebut bias mundur (V R ). Rapat arus yang mengalir pada saat bias mundur adalah qv R kt J = J 0 e 1 (2) Besarnya arus pembawa pada persambungan p-n dipengarui oleh penyinaran cahaya. Penyinaran cahaya pada persambungan p-n akan membentuk pasangan elektron-hole yang memiliki energi lebih besar dari pada celah energi. Pembentukan pasangan elektron-hole terjadi di daerah difusi dengan panjang L p untuk difusi hole dan L n untuk difusi elektron. Pasangan elektron-hole ini akan berkontribusi terhadap arus foto. Jumlah pasangan elektron-hole dipengaruhi intensitas cahaya yang datang. Pasangan elektron-hole akan berpisah karena medan listrik yang ada pada daerah deplesi. Adanya pemisahan muatan pada daerah deplesi, akan menghasilkan aliran arus dari sisi-n ke sisi-p ketika sisi-p dan sisi-n dihungkan dengan kawat luar (Gambar 12). Penyinaran persambungan p-n oleh cahaya pada rangkaian terbuka akan menyebabkan pemisahan muatan pembawa. Pemisahan muatan pembawa ini akan menghasilkan tegangan. Diagram pita energi perambungan p-n pada saat dihubung singkat (short-circuited) dan arus rangkaian terbuka (open-circuited current) ditunjukkan oleh Gambar 13a dan 13b.

13 13 Gambar 11 (a) pita energi saat dibias maju, (b) pita energi saat dibias mundur (Soga. 2006). Gambar 12 Aliran muatan pembawa persambungan p-n saat disinari cahaya dalam rangkaian tertutup (Soga. 2006).

14 14 Gambar 13 Pita energi p-n junction saat disinari cahaya, (a) short-circuited dan (b) open-circuited current (Soga. 2006). Arus yang mengalir pada saat sisi-p dan sisi-n dihubung singkat disebut arus short-circuit (I sc ) yang nilainya sama dengan arus foto (I L ) jika hambatan seri (series resistance) sama dengan nol. Ketika sisi-p dan sisi-n diisolasi, elektron bergerak menuju sisi-n dan hole menuju sisi-p. Elektron dan hole akan berkumpul pada kedua sisi, sehingga menghasilkan tegangan. Tegangan tersebut dianamakan tegangan open-circuit (V oc ). Kurva karakteritik arus-tegangan persambungan p-n saat disinari cahaya dan gelap ditunjukkan oleh Gambar 14.

15 15 Gambar 14 Kurva karakteristik arus-tegangan saat gelap dan disinari cahaya (Soga 2006). Arus yang mengalir pada persambungan p-n ketika disinari cahaya adalah: I = I 1 qv nkt e 0 I sc (3) Ketika rangkaian terbuka I = 0, sehingga tegangannya adalah nkt I sc V = ln + 1 oc (4) q I 0 Fill factor merupakan parameter fotovoltaik sel surya yang dapat dijadikan penentu baik dan buruknya sel. Fill factor dapat dicari dengan menggunakan persamaan: V m m FF = (5) V oc I I sc V m I m adalah daya maksimum sel.

16 16 Sel Surya Organik Pemakaian sel surya sebagai sumber energi semakin berkembang, tetapi di sisi lain terdapat beberapa hambatan dalam pengembangannya, terutama pada sel surya konvensional. Kelemahan dari sel surya konvensional adalah terbatasnya bahan baku dan mahalnya biaya produksi. Energi dan teknologi canggih banyak dibutuhkan dalam pembuatan sel surya konvensional, seperti tingginya suhu yang diperlukan, yaitu sekitar o C dan kondisi vakum yang tinggi (Petritsch 2000). Oleh karena itu diperlukan jenis sel surya baru yang dapat mengurangi permasalahan yang ada pada pembuatan sel surya konvensional. Sel Surya Organik merupakan piranti yang diharapkan dapat mengurangi permasalahan yang ada pada sel surya konvensional. Penelitian awal tentang sel surya organik diilhami oleh proses fotosintesis, yaitu adanya penyerapan cahaya oleh klorofil, keluarga forfirin. Sruktur sel surya organik hampir sama dengan sel surya konvensional. Lapisan aktif sisi-n dan sisi-p pada sel surya konvensional, menjadi lapisan donor dan akseptor pada sel surya organik. Lapisan aktif pada sel surya organik terbuat dari bahan semikonduktor organik. Transport muatan pada semikonduktor organik bergantung pada kemampuan muatan pembawa untuk melintas dari satu molekul ke molekul lain. Loncatan muatan pembawa dari satu molekul ke molekul lain ditentukan oleh celah energi antara tingkat energi HOMO (high occupied molecule orbital) dan LUMO (lowest unoccupied molecule orbital). Gambar 15 menunjukkan tingkat energi HOMO dan LUMO pada semikonduktor organik. Transport muatan pada semikonduktor organik lebih ditentukan oleh orbit ikatan π dari pada orbitl ikatan σ (Gambar 16). Hal ini terjadi karena energi eksitasi yang dibutuhkan oleh elektron pada orbitl π menuju orbit π* lebih kecil dibandingkan dengan elektron yang berada pada orbital ikatan σ (Brütting W et al. 2005).

17 17 Gambar 15 Level energi molekul Gambar 16 Level energi molekul konjugat-π (eksitasi elektron dari orbital π ke π*) (Brütting W et al. 2005). Bahan semikonduktor organik yang digunakan sebagai lapisan aktif sel surya dapat berbentuk molekul atau polimer konjugat. Semikonduktor molekul organik yang sering digunakan adalah klorofil. Klorofil merupakan pigmen penyerap cahaya pada tumbuhan. Tumbuhan tingkat tinggi memiliki dua jenis klorofil, yaitu klorofil a dan b. Struktur klorofil (Gambar 17) digambarkan oleh Willstatter dan Fischer dan ditetapkan oleh Woodward tahun 1960 (Davidov 1982). Struktur dasar penyusun klorofil adalah cincin planar dengan ion Mg berada dipusat koordinat. Ion Mg ini dikelilingi oleh atom nitrogen.

18 18 Gambar 17 Struktur klorofil a dan klorofil b (Best, B) Spektrum penyerapan cahaya oleh kedua klorofil tersebut ditunjukkan oleh Gambar 18. Pita absopsi maksimum klorofil a berada pada panjang gelombang merah λ = 700 nm dan biru λ = 440 nm. Pita absorpsi maksimum klorofil b berada pada λ = 660 dan 460 nm. Intensitas maksimum cahaya matahari yang mencapai permukaan bumi berada pada rentang panjang gelombang nm (ungu-hijau dan hijau), hal ini menunjukkan bahwa hanya pada daerah ini saja cahaya yang diserap klorofil minimum. Gambar 18 Pita absorpsi klorofil a dan klorofil b [Anonim].

19 19 Sifat semikonduktif dan fotovoltaik klorofil a, diketahui dari fenomena dark signal (tegangan open-circuit dan arus short-circuit), ketika dibentuk seperti dioda Schottky. Penelitian awal terhadap klorofil a menunjukkan bahwa klorofil a memiliki efisiensi kuantum yang kecil tanpa perlakuan eksperimen khusus. Beberapa penelitian telah mengukur efisiensi klorofil a, yaitu sekitar 0,1% (Chen et al. 1978). Gambar 19 menunjukkan kurva karakteristik arus-tegangan klorofil a. Elektroda negatif yang dapat digunakan adalah Al, dan Hg sebagai elektroda positif. Cahaya yang datang pada sisi Al menyebabkan muatan pembawa dihasilkan di daerah ruang muatan (space-charge) atau di dalam panjang difusi L film klorofil. Penghalang (barrier) merupakan tempat yang efisien untuk proses pengumpulan pembawa (carrier). Mabrouki, et al telah melihat efek fotovoltaik pada klorofil dengan mengelektrodeposisi klorofil a pada alumunium. Klorofil a yang dielektrodeposisi harus homogen dan memiliki perbandingan absorbansi pada panjang gelombang 745 nm (mikrokristalin klorofil a) dengan absorbansi pada panjang gelombang 660 nm (monomer klorofil a) lebih besar dari 5. Lapisan klorofil ditutup oleh elektroda Ag melalui evaporasi. Besar arus yang didapatkan pada penyinaran Al/klorofil a/ag lebih besar dari pada arus tanpa penyinaran (Gambar 20). Efisiensi konversi yang dihasilkan tidak berbeda jauh dari hasil penelitian yang lain, yaitu sebesar 0,1 %. Gambar 19 Karakteristik arus tegangan Al/klorofil a/hg (a) elektroda Hg Murni, (b) campuran Hg dengan 8,7% In (c) campuran Hg dengan 17,8% In (Chen et al. 1978).

20 20 Gambar 20 Karakteristik I-V sel Al/klorofil a/ag (a) terang, (b) gelap (Mabrouki et al. 2002). Semikonduktor polimer konjugat yang sering digunakan untuk aplikasi sel surya adalah polianilin (PANI). Polianilin (PANI) merupakan polimer organik yang bersifat konduktif (Quiñonens et al. 2003). Penambahan doping pada polianilin akan meningkatkan konduktivitas menjadi 10 kali dari semula (Quiñonens et al. 2003). Penambahan doping biasanya menggunakan HCl. Gambar 21 (a) menunjukkan skema penambahan doping HCl pada pembentukan polianilin, sedangkan Gambar 21 (b) pembentukan polianilin tanpa doping. Gambar 21 (b) menunjukkan bahwa tidak terdapat muatan bebas di dalam rantai, sedangkan pada Gambar 21 (a) terdapat dua polaron yang terdelokalisasi sepanjang rantai polimer. Polianailin banyak digunakan untuk pelapisan elektroda. Lapisan polianilin pada elektroda akan meningkatan konduktivitas elektroda. Sulfonated polianilin (SPAN) merupakan bentuk polianilin yang sering dipakai untuk meningkatkan konduktivitas listrik elektroda. Lapisan SPAN di atas tin-oxide (TO) dapat meningkatkan pengumpulan muatan positif, selain itu juga dapat mengurangi energi barrier efektif untuk injeksi muatan positif dari TO (Valaski, et al. 2004).

21 21 Gambar 21 (a) Skema penambahan doping pada polianilin (b) tanpa penambahan doping (Quiñonens et al. 2003). Jenis-jenis Struktur Sel Surya Organik Rancangan sel surya organik pertama kali adalah dengan membentuk persambungan tipe Schottky atau disebut juga dengan sel surya organik homojunction (Gambar 22.a). Susunan sel ini terdiri dari lapisan organik dengan dua elektroda yang mengapit lapisan organik. Struktur lapisannya terdiri dari logam/lapisan organik/logam. Sel yang disusun seperti ini kurang efisien, karena fotogenerasi muatan hanya terjadi pada lapisan tipis dekat permukaan logam/lapisan organik. Rancangan sel surya organik yang lebih baik terdiri dari dua semikonduktor organik yang berbeda (organic heterojunction, Gambar 22b). Sel surya organik heterojunction terdiri dari dua material semikonduktor aktif, yaitu material donor dan material akseptor elektron. Antara dua permukaan material ini terbentuk gaya elektrostatik yang dihasilkan oleh perbedaan afinitas elektron dan potensial ionisasi. Medan listrik antar dua permukaan akan timbul jika salah satu material memiliki afinitas elektron dan potensial ionisasi yang lebih besar dibandingkan dengan material lain. Medan listrik ini akan memisahkan pasangan elekton dan hole (eksiton) (Gambar 23). Pemisahan eksiton pada sel surya organik heterojunction lebih efisien dibandingkan dengan pemisahan eksiton pada organik homojunction.

22 22 Gambar 22 (a) Diagram tipe Schottky (homojunction) dan (b) sel surya organik heterojunction (Lane et al. 2005). (A) (B) Gambar 23 (A) Diagram pita energi donor-akseptor sel surya heterojunction (B) Pemisahan eksiton (Kietzke 2007). Kelamahan pada sel surya organik homojunction dan heterojunction adalah terbatasnya daerah foto generasi muatan. Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut, yaitu dengan meningkatkan daerah photocarrier generation. Daerah photocarrier generation dapat ditingkatkan dengan membentuk daerah campuran antara pembawa elektron dan hole, sehingga sel membentuk bulk heterojunction (Gambar 24) (Lane et al. 2005). Sel seperti ini dibuat dengan cara mencampurkan langsung material donor elektron dengan material penerima elektron. Jika panjang atau tebal lapisan campuran tersebut sama dengan panjang difusi eksiton, maka eksiton akan bergerak ke daerah persambungan (antar muka) antara material donor dengan material akseptor, kemudian akan terpisah. Hole akan bergerak ke katoda, sedangkan elektron bergerak ke anoda (Nelson 2002).

23 23 Katoda Anoda Gambar 24 Pembentukan dan pemisahan eksiton menjadi hole ( ) dan elektron ( )(Yang et al. 2005). Efisiensi bulk heterojunction (BHj) solar cell dapat ditingkatkan dengan mengatur pertumbuhan kristal organik di atas substrat. Pengaturan dilakukan dengan cara menentukan posisi dan orientasi material donor-acceptor memakai metode organic vopour-phase deposition (OVPD). Hasil penelitian menunjukkan bahwa BHj yang dibuat dengan metode ini dapat menghasilkan efisiensi dari 1.4 ± 0.1 % (annealed BHj) menjadi (2.7 ± 0.1)% (controled bulk OVPD heterojuction) (Yang et al. 2005). Sel Surya Hibrid Organik-Anorganik Heterojunction Kajian tentang Surya Hibrid Organik-Anorganik Heterojunction diawali dengan fotovoltaik organik berbasis molekul-molekul kecil, kemudian diikuti oleh sel fotovoltaik berbasis polimer. Penelitian tentang sel Surya Hibrid Organik-Anorganik Heterojunction telah dilakukan oleh (Sẽgue et al. 1991) dengan menyambungkan film CdS (semikonduktor anorganik tipe-n) dengan klorofil a (Chl a) sebagai semikonduktor organik tipe-p. Penelitian ini diilhami oleh penelitian sebelumnya yang menemukan bahwa, klorofil memiliki sifat semikonduktif. Pemakain CdS pada penelitian tersebut dimaksudkan untuk menggantikan Al (Al/Chl a/ag), karena logam ini mudah mengalami oksidasi sehingga dapat menurunkan arus foto. Perbedaan fungsi kerja yang besar antara klorofil a (Chl a) dengan CdS menyebabkan terbentuknya potensial penghalang antara klorofil dengan CdS. Gambar 25 menunjukkan kurva karakteristik arus-tegangan klorofil/cds. Distribusi arus-tegangan yang tidak linier dan tidak simetris menunjukkan

24 24 terbentuknya potensial penghalang antara kedua permukaan material tersebut (Gambar 25 A). Hasil penelitian Sẽgue et al. menunjukkan bahwa klorofil merupakan donor elektron sedangkan CdS sebagai akseptor elektron. Penyinaran pada panjang gelombang di atas 550 nm dimaksudkan untuk menghindari penyerapan cahaya oleh CdS. Efisinsi tertinggi yang dihasilkan oleh sel dengan struktur ITO/CdS/Chl a/ag sebesar 0.17% ketika disinari cahaya dengan panjang gelombang 740 nm. Nilai efisiensi ini masih kecil untuk skala industri, sehingga dibutuhkan penelitian lanjutan agar dapat meningkatkan nilai efisiensi tersebut. Gambar 25 B dan 25 C menunjukkan kenaikan I sc dan V oc terhadap kenaikan intensitas. Semakin besar intensitas semakin besar pula kenaikan I sc dan V oc. Khusus untuk V oc, kenaikan intensitas tidak akan kontinu meningkatkan V oc, hal ini disebabkan karena semakin tinggi intensitas, maka semakin besar pula konversi trapping state menjadi pusat rekombinasi (Sẽgue et al. 1991). Pusat rekombinasi akan menurunkan V oc, sehingga pada Gambar 25 C, nilai V oc pada intensitas tinggi akan bergerak konstan.

25 25 A B C Gambar 25 (A) Kurva karakteristik arus-tegangan, (B) I sc pada panjang gelombang sinar 560 nm ( ), 680 nm ( ) dan 740 nm ( ), (C) V oc terhadap intensitas cahaya datang (I sc ), panjang gelombang sinar 560 nm ( ), 740 nm ( ). Luas aktif sel ITO/CdS/Chl a/ag sebesar 0,45 cm 2 (Sẽgue et al. 1991).