Preparasi Lapisan Tipis ZnO dengan Metode Elektrodeposisi untuk Aplikasi Solar Cell

Transkripsi

1 Preparasi Lapisan Tipis ZnO dengan Metode Elektrodeposisi untuk Aplikasi Solar Cell Hanif Mubarok, Yusuf Hasan Habibie, Minta Yuwana, Heru Setyawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia Abstrak Solar Cell merupakan energi alternatif yang ramah lingkungan. Perkembangan pembuatan Solar Cell mengarah pada penggunaan lapisan tipis ZnO pada aplikasi Solar Cell. Penelitian ini mempelajari pengaruh flowrate oksigen pada tegangan konstan terhadap lapisan ZnO yang terbentuk, mengevaluasi pengaruh flowrate oksigen dan tegangan konstan terhadap grafik chronoampero, morfologi lapisan, resistensi pada lapisan ZnO yang terbentuk, mengetahui nilai effisiensi, fill factor pada lapisan ZnO yang terbentuk dalam aplikasinya sebagai DSSC (Dye- Sensitized Solar Cell). Elektrodeposisi dilakukan dalam tiga sel elektroda. Elektroda lawan adalah platina dan elektroda acuan adalah Ag/AgCl. Deposit dibuat pada substrat kaca ITO (Indium Tin Oxide). Substrat dibersihkan dalam ultrasonic bath, 5 menit dalam aseton, 5 menit dalam etanol dan 2 menit dalam 45% asam nitrat. Media deposisi dibuat dengan air demin. Media khlorida mengandung 5 mm ZnCl 2 dan 0,1 M KCl. Volume total larutan dalam sel adalah 80 ml. Oksigen molekul digelembungkan ke larutan sebelum memulai percobaan selama 20 menit. Flowrate oksigen yang digunakan yaitu 0,5; 1; 1,5; 2 l/min. Elektrodeposisi dilakukan selama 2 jam setelah tahap pemberian gelembung oksigen. Penumbuhan ZnO dilakukan pada berbagai flowrate oksigen dan tegangan konstan. Komposisi fasa dan struktur dianalisis dengan Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX) sedangkan morfologi lapisan magnetite yang terbentuk diamati dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Besarnya hambatan listrik dianalisis dengan uji resistivitas sederhana. Nilai konduktivitas produk dianalisis secara chronoamperometry dengan menggunakan Autolab 302N, Metrohm. Penelitian ini menunjukan bahwa lapisan tipis ZnO berhasil dielektrodeposisi pada elektroda Tembaga dan ITO. Tembaga dan ITO glass yang terlapisi ZnO memiliki nilai hambatan listrik terkecil pada flowrate 2 l/min. Morfologi lapisan yang terbentuk berukuran mikrometer. Kata Kunci Elektrodeposisi, Lapisan ZnO, Oksigen, Solar Cell I. PENDAHULUAN Energi menjadi isu penting dan menarik perhatian seluruh dunia akhir akhir ini. Kebutuhan energi yang terus meningkat bertolak belakang dengan ketersediaan energi yang terbatas. Hal ini mengarahkan para peneliti untuk terus mengembangkan energi terbarukan. Salah satu energi terbarukan yang sedang berkembang adalah solar cell. Ketersediaan sumber energi solar cell yang utama yang tak terbatas yaitu matahari menjadikan solar cell menjadi proyeksi energi masa depan. Namun biaya produksi yang tinggi dibanding pembangkit energi konvesional menghambat pertumbuhan produksi solar cell. Pada awalnya kebanyakan solar cell yang tersedia di pasaran terbuat dari silikon. Silikon dipilh sebagai material pembuat silikon karena keberadaannya yang mudah dicari di alam, dan puncak penyerapan silika sangat mendekati dengan pucak spektrum solar. Sayangnya material silika memiliki kelemahan daya serap cahaya yang rendah sehingga pada awal teknologi solar cell muncul seringkali menggunakan silikon crystal tebal yang mencapai ketebalan beberapa ratus micron. Hal ini membuat produksi solar cell memerlukan biaya mahal. Perlunya material atau metode pembuatan PV yang murah mengarahkan para peneliti untuk mengembangkan bahan yang mudah dibuat dengan biaya operasi murah. Lapisan tipis ZnO dapat digunakan sebagai bahan pembuatan solar cell [5]. Metode penumbuhan fase gas banyak digunakan dalam pembuatan lapisan tipis ZnO. Metode ini memerlukan biaya operasi yang mahal karena menggunakan suhu tinggi atau tekanan tinggi. Disisi lain teknik penumbuhan larutan mulai banyak dipakai akhir akhir ini. Metode ini memiliki banyak keunggulan yaitu biaya operasi yang murah, proses yang sederhana, dan skala yang mudah diatur. Air adalah pelarut yang paling umum digunakan dalam teknik berbasis larutan dan prosenya biasanya dilakukan pada suhu yang lebih tinggi daripada suhu ruang yaitu 50 o C atau lebih tinggi. Dari berbagai teknik penumbuhan larutan yang ada metode elektrodeposisi merupakan teknik yang paling kompetitif dikarenakan pengaturan ketebalan lapisan yang mudah, sederhana, biaya operasi yang murah dan memungkinkan membuat lapisan yang luas. Namun elektrodeposisi ZnO pada suhu ruang cenderung sulit karena berdasarkan konstanta kinetika akan lebih mudah terbentuk Zn(OH) 2. Dari studi termokimia menunjukkan proses mekanisme deposisi dan komposisi lapisan tipis seng oksida dipengaruhi oleh suhu. Pertumbuhan lapisan tidak terjadi pada suhu dibawah 34 o C akibat adanya pasivasi permukaan. Nukleasi oksida lapisan tumbuh dimulai diatas 34 o C, dimana nilai optimum transparansi lapisan dan kristaliinity didapatkan diatas suhu 40 o C [1]. Metode elektrodeposisi ZnO secara bath pada suhu ruang dengan menjenuhkan larutan elektrolit dengan oksigen [3]. Oleh karena itu pada penelitian ini dicoba melakukan elektrodeposisi ZnO pada suhu ruang dengan cara yang diusulkan oleh Pauporte dkk, namun dengan mempelajari pengaruh flowrate oksigen dan tegangan konstan (-1V vs

2 Ag/AgCl) terhadap tebentuknya lapisan ZnO. A. Prosedur Penelitian II. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini menggunakan metode elektrodeposisi untuk membuat lapisan tipis ZnO. Elektrodeposisi yang dilakukan dalam sel tiga elektroda. Rangkaian sel tiga elektroda menggunakan Autolab 302N, Metrohm. Susunan alat untuk membuat lapisan tipis ZnO ditunjukan pada gambar 3.2 yang terdiri dari satu set rangkaian alat elektrokimia dengan tiga elektroda. Counter Electrode adalah platina ukuran 2,5 cm x 2,5 cm dan Reference Electrode menggunakan Ag/AgCl. Working Electrode yang digunakan adalah elektroda tembaga (Cu) yang berukuran 3,5 cm x 2,5 cm. Bagian elektroda tercelup menyesuaikan dengan ukuran elektroda platina yang tercelup yang sebesar 2,5 cm x 2,5 cm. Media deposit selanjutnya yang digunakan adalah kaca yang dilapisi Indium Tin Oxide (ITO). Substrat dibersihkan dalam ultrasonic bath, 5 menit dalam aseton, 5 menit dalam ethanol dan 2 menit dalam 45% asam nitrat. Media klorida mengandung 5mM ZnCl 2 + 0,1 M KCl dengan volume larutan dalam sel adalah 80 ml. Molekul oksigen di supply ke larutan dengan menggelembungkan oksigen (O 2 ) selama 20 menit sebelum memulai percobaan. Flowrate oksigen yang digunakan yaitu 0,5; 1; 1,5; 2 l/min. Elektrodeposisi dilakukan selama 2 jam setelah tahap pemberian gelembung oksigen. Penumbuhan ZnO dilakukan pada tegangan sebesar -1V vs Ag/AgCl dengan mode operasi konstan. Setelah terbentuk lapisan dilakukan Oksigen Working Electrode (ITO Glass) Potensiostat Counter Electrode (Platina) Reference Electrode (Ag/AgCl) diukur dengan multitester. Untuk mengetahui kurva arus dan tegangan yang terbentuk dengan pemberian sinar yang memiliki panjang gelombang tertentu menggunakan Linier Sweep Voltametry Potensiostatic (LSVP) menggunakan Autolab 302N yang digabungkan dengan LED driver. Sinar yang digunakan adalah LED merah dengan panjang gelombang 627 nm. III. HASIL DAN DISKUSI A. Tahap Penumbuhan Lapisan ZnO Tahapan penumbuhan lapisan ZnO dilakukan dengan menggunakan metode elektrodepoisi menggunakan variasi flowrate oksigen pada tegangan konstan. Penumbuhan lapisan ZnO dilakukan pada elektroda Cu dan ITO glass. Media elektrolit yang digunakan 5 mm ZnCl 2 dan 0,1 M KCl dalam volume 80mlPerubahan secara kasat mata terbentuknya lapisan tipis ZnO akibat pengaruh pemberian variasi flowrate oksigen dengan tegangan konstan dapat diamati terbentuknya lapisan tipis warna putih pada permukaan elektroda CU dan ITO glass. (a) Gambar. 2. (a) Elektroda Cu sebelum elektrodeposisi Elektroda Cu setelah elektrodeposisi ITO glass sebelum elektrodeposisi ITO glass setelah elektrodeposisi Lapisan putih yang terbentuk seperti pada gambar 2b dan 2d adalah lapisan tipis ZnO, hal ini sesuai dengan sifat fisik ZnO yang memilki warna putih.penumbuhan lapisan diamati untuk tiap flowrate oksigen yang diberikan. Pemberian oksigen mempengaruhi terbentuknya lapisan ZnO yang terbentuk. Hal ini dapat diamati pada grafik chronoampero yang diperoleh selama elektrodeposisi. Gambar. 1. Skema Peralatan Elektrodeposisi pentesan ekstrak buah strawberi pada permukaan ITO untuk membuat Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC). B. Karakterisasi Produk ZnCl 2 + KCl Komposisi partikel yang diperoleh diamati dengan Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX). Morfologi lapisan magnetite yang terbentuk diamati dengan mikroskop optik dengan metode Scanning Electron Microscopy (SEM). Nilai konduktivitas produk dianalisis secara data chronoampero dengan menggunakan Autolab 302N, Metrohm. Nilai hambatan listrik yang terbentuk dianalisis dengan menggunakan resistivity test 4 probe menggunakan Autolab 302N. Resistivity test 4 probe dilakukan dengan pemberian arus pada lapisan ZnO yang terbentuk sehingga tegangan dapat Current (A) -0,0005-0,0010-0,0015-0,0020-0,0025-0,0030-0,0035-0,0040-0,0045-0,0050-0,0055-0, rate 0,5 l/min rate 1 l/min rate 1,5 l/min rate 2 l/min Gambar. 3. Grafik chronoampero pada elektroda Cu dengan tegangan -1V vs Ag/AgCl pada berbagai flowrate oksigen

3 Gambar 3 terlihat grafik mengalami penururnan yang sama diawal menunjukkan terbentuknya lapisan Zn(OH) 2. Kemudian mengalami peningkatan arus dengan 3 pola yang berbeda. Pada flowrate oksigen rendah peningkatan cenderung datar yang menunjukkan terjadinya passivasi dimana tidak terjadinya reaksi pembentukan ZnO.Sebaliknya pada rate tinggi grafik meningkat sangat tajam menunjukkan inti ZnO yang terus tumbuh cepat sehingga membuat peningkatan arus listrik. Untuk flowrate sedang grafik meningkat secara perlahan menunjukkan ZnO terbentuk secara perlahan sehingga peningkatan arus listrik terjadi secara perlahan. Current (A) 0,0000-0,0002-0,0004-0,0006-0,0008-0,0010-0,0012-0,0014-0,0016-0,0018-0,0020-0,0022-0,0024 rate 0,5 l/min rate 1 l/min rate 1,5 l/min rate 2 l/min Gambar. 4. Grafik Chronoampero pada ITO glass dengan tegangan -1V vs Ag/AgCl pada berbagai flowrate oksigen Sama halnya pada gambar 4 penurunan di awal menunjukkan terbentuknya lapisan Zn(OH) 2. Namun terjadi sedikit perbedaan dimana passivasi terjadi pada flowrate rendah dan sedang, sedangkan pada flowrate tinggi penignkatan arus listirk sangat tajam menunjukkan inti ZnO yang tumbuh dengan cepat. Komposisi lapisan yang terbentuk pada elektroda Cu diamati menggunakan analisa XRD. Gambar.5. Hasil EDX Cu (a) rate 0,5 l/min rate 1 l/min rate 1,5 l/min rate 2 l/min (a) Terlihat pada gambar 5 terlihat munculnya puncak Zn dan O untuk semua variasi flowrate yang diberikan. Kenampakan morfologi lapisan dapat dimatai pada hasil SEM yang diperoleh.

4 penetesan ekstrak strawberi untuk membentuk DSSC. Penamabahan ini bertujuan untuk menambah daya serap cahaya yang diberikan dan meningkatkan sensitifitas untuk terjadinya perpindahan elektron. (a) Gambar. 6.SEM Cu (a) rate 0,5 l/min rate 1 l/min rate 1,5 l/min rate 2 l/min Gambar 6 menunjukkan dengan perbesaran kristal ZnO yang terbentuk pada permukaan elektroda Cu berukuran micrometer dengan lapisan kristal yang belum homogen. Hal tersebut terlihat pada gambar 4a dan 4b muncul rongga pada lapisan ZnO. Untuk mengetahui telah tebentuknya lapisan ZnO pada elektroda juga dilakukan uji resistivity 4 probe. Dengan pemberian arus dengan besaran tertentu untk mengetahui tegangan yang terukur. Besaran tegangan yang terukur dan arus yang diberikan akan digunakan untuk mencari besaran hambatan listrik pada kristal ZnO yang terbentuk. Besarnya arus yang digunakan pada elektroda Cu sebesar 0,1 A sedangkan pada ITO glass sebesar 0,003 A. Hasil uji resistivity pada elekttroda Cu terlihat pada tabel 4.1 sedangkan hasil uji resistivity pada ITO glass terlihat pada tabel 4.2. Tabel 4.1 Data resisitivity test pada elektroda Cu dengan beragam rate oksigen Elektroda Cu R ave ( m) Cu awal 4,16 x 10-6 Flowrate oksigen 0,5 l/min 5,11 x 10-6 Flowrate oksigen 1 l/min 5,29 x 10-6 Flowrate oksigen 1,5 l/min 4,5 x 10-6 Flowrate oksigen 2 l/min 2,65 x 10-6 Tabel 4.2 Data resisitivity test pada ITO glass dengan beragam rate oksigen Elektroda ITO R ave ( m) 62,5 Flowrate oksigen 0,5 l/min 6,06 Flowrate oksigen 1 l/min 4,92 Flowrate oksigen 1,5 l/min 4,29 Flowrate oksigen 2 l/min 3,97 Gambar. 7. (a) lapisan ZnO pada ITO glass lapisan ZnO-ekstrak strawberi pada DSSC Gambar 7a dan 7b menunjukkan perubahan secar visual sebelum dan sesudah ditambahkan ekstrak strawberi. Karakteristik DSSC akan diuji dengan menggunakan LSVP (Linear Sweep Voltametry Potensiostatic)yang menghasilkan kurva arus vs tegangan sehingga digunakan untuk mengetahui nilai efisiensi dan fill factor. Current (A) 0, , , , , , ,00010 DSSC 0,5 l/min DSSC 1 l/min DSSC 1,5 l/min DSSC 2 l/min Gambar. 8. Kurva I vs V pada DSSC untuk berbagai flowrate oksigen dengan intensitas cahaya konstan 7,59 mw/cm 2 Gambar 8 terlihat dengan adanya pemberian intensitas cahaya pada DSSC menghasilkan besaran arus dan tegangan yang dapat terukur. Dengan peningkatan bearan tegangan yang terukur maka terjadi penurunan arus yang terukur. Besar arus dan tegangan yang terukur untuk tiap flowrate oksigen dibandingkan dengan kurva arus vs tegangan pada. Besar arus yang terukur untuk lapisan ZnO/ekstrak strawberi pada DSSC untuk semua variasi flowrate oksigen berada dibawah nilai. Hal ini dimungkinkan karena lapisan ekstrak strawberi yang terlalu pekat sehingga menyebabkan terhalangnya sinar masuk mengenai lapisan ZnO.Selanjutnya dilakukan variasi intensitas cahaya yang diberikan pada DSSC untuk mengetahui pengaruhnya terhadap perubahan besaran arus dan tegangan yang terukur. Dengan terbentuknya lapisan ZnO pada ITO glass dilakukan

5 Current (A) 0, , , , , , mw/cm2 11,07 mw/cm2 9,31 mw/cm2 7,59 mw/cm2 berbagai variasi flowrate oksigen berada dibawah nilai ITO awal. Hal ini dimungkinkan karena lapisan ekstrak stawberi yang terlalu pekat sehingga menyebabkan terhalangnya cahaya yang diberikan mengenai lapisan ZnO. Selanjutnya dilakukan variasi intensitas cahaya yang diberikan pada DSSC untuk mengetahui pengaruhnya terhadap perubahan besaran daya tegangan yang terukur. Dari gambar 11 menunjukkan perubahan nilai daya yang terukur untuk variasi intensitas cahaya yang diberikan. 0, , , , mw/cm2 11,07 mw/cm2 9,31 mw/cm2 7,59 mw/cm2 Gambar.9. Kurva I vs V pada DSSC untuk berbagai intensitas cahaya Dari gambar 9 menunjukkan perubahan nilai arus yang terukur untuk variasi intensitas cahaya yang diberikan. Grafik akan menunjukkan bentuk yang sama pada semua lapisan yang terbentuk dari variasi flowrate oksigen selama elektrodeposisi. Dari grafik tersebut terlihat semakin tinggi intensitas cahaya yang diberikan maka arus listrik yang terukur semakin besar. Hal tersebut menunjukkan kemampuan DSSC dalam mengubah cahaya menjadi energi listrik yang mengalami peningkatan dengan besarnya intensitas cahaya yang diberikan. Dengan besaran arus dan tegangan yang terukur maka dapat diketahui daya yang dihasilkan oleh DSSC. Pada gambar 10 menunjukkan hubungan daya dengan Power (W) 0, , , , , , , , , , ,00003 DSSC 2 l/min DSSC 1,5 l/min DSSC 1 l/min DSSC 0,5 l/min Gambar.10. Kurva P vs V pada lapisan ZnO/ekstrak strawberi pada DSSC yang terbentuk pada berbagai rate oksigen dengan pemberian intensitas cahaya konstan 7,59 mw/cm 2 tegangan yang terukur pada intensitas cahaya konstan. Nilai daya maksimal dapat diamati untuk tiap tiap pemberian flowrate yang diberikan selama elektrodeposisi. Sedangkan besar daya yang diperoleh pada lapisan DSSC dapat dibandingkan dengan daya pada untuk tiap flowrate oksigen yang diberikan. Terlihat besar daya yang terukur untuk ZnO/ekstrak strawberi pada DSSC pada Power (W) 0, , , ,00004 Grafik akan menunjukkan bentuk yang sama pada semua lapisan yang terbentuk dari variasi flowrate oksigen selama elektrodeposisi. Dari grafik tersebut terlihat semakin tinggi intensitas cahaya yang diberikan maka akan semakin tinggi daya yang dihasilkan. Hal tersebut menunjukkan kemampuan DSSC dalam mengubah cahaya menjadi energi listrik yang mengalami peningkatan dengan besarnya intensitas cahaya yang diberikan. Dari hasil yang diperoleh terdapat hubungan antara besaran arus yang terukur dengan daya yang dihasilkan. Dengan grafik daya vs tegangan diperoleh nilai daya maksimum, V oc, dan I sc. V oc ( Open-Circuit Potential) adalah besarnya tegangan yang terukur ketika arus bernilai 0 ampere. Sedangankan I sc adalah besarnya arus yang terukur ketika tegangan bernilai 0 volt. Degan menggabungkan grafik arus vs tegangan dan daya vs tegangan yang terukur kita dapat mencari fill factor dan efisiensi sebagai karakteristik dari solar cell. Fill factor adalah perbandingan daya maksimum terhadap nilai V oc dan I sc sedangkan efisiensi dihitung dengan membandingkan daya yang terukur terhadap besar nya intensitas cahay yang diberikan pada luasan area permukaan DSSC yang telah terlapisi ZnO/ekstrak strawberi. Gambar.11. Kurva P vs V pada DSSC untuk berbagai intensitas cahaya Tabel 4.3 Data fill factor rata rata pada DSSC dibandingkan dengan DSSC % FF average ITO 70,08 Flowrate oksigen 0,5 l/min 70,09 Flowrate oksigen 1 l/min 70,55 Flowrate oksigen 1,5 l/min 70,03 Flowrate oksigen 2 l/min 70,32

6 Tabel 4.4 Data efisiensi rata rata pada DSSC dibandingkan dengan DSSC Efisiensi rata-rata ITO 0,146 Flowrate oksigen 0,5 l/min 0,129 Flowrate oksigen 1 l/min 0,098 Flowrate oksigen 1,5 l/min 0,133 Flowrate oksigen 2 l/min 0,115 Dari hasil % fill factor rata-rata maupun efisiensi rata-rata menunjukkan lapisan ZnO/ekstrak strawberi pada DSSC belum memberikan hasil yang baik pada percobaan ini. Hal ini terlihat nilai fill factor pada DSSC tidak jauh berbeda dengan nilai fill factor pada dan nilai efisiensi DSSC masih berada dibawh nilai. Pekatnya ekstrak strawberi pada DSSC menghalangi cahaya masuk mengenai lapisan ZnO. Dengan terhalangnya cahaya yang masuk maka akan mengganngu DSSC mengubah cahaya yang diberikan menjadi energi listrik, sehingga efisiensi DSSC yang dihasilkan kecil. IV. KESIMPULAN Penumbuhan lapisan tipis ZnO pada ITO glass telah berhasil dilakukan dengan menggunakan metode Elektrodeposisi pada tegangan konstan dengan penggelembungan oksigen. Setelah penetesan ekstrak strawberi untuk aplikasi Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), fill factor yang didapatkan nilai 70,25% dan nilai efisiensi sebesar 0,12. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Laboratorium Elektrokimia dan Korosi yang telah memberikan dukungan finansial serta moral terhadap penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] A. Goux, T. Pauporte, J. Chivot, D. Lincot, Temperature effects on ZnO electrodeposition, Electrochimica Acta Volume 50, 2005, Pages [2] Afify. H.H, El-Hefnawi, S.H, Eliwa A.Y, Abdel-Naby M.M, Ahmed N.M, Realization and Characterization ZnO/n-Si Solar Cell by Spray Pyrolisis, Egypt.J.Solids Volume 28, No 2, [3] Th.Pauporte, I.Jirka,A Method for Electrochemical Growth of Homogeneous Nanocrystalline ZnO Thin Films at Room Temperature, Laboratoore d Electrochimie, France, [4] Septina, W. dkk, Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik. Institut Teknologi Bandung, Bandung [5] Xinze Luo, Lin Xu, Fengyan Li, Electrodeposition of Zinc Oxide/Tetrasulfonated Copper Phthalocyanine Hybird Thin Fil For Dye-Sensitized Solar Cell Application, Yili Norma University, China, 2011.