4 FABRIKASI DAN KARAKTERISASI SEL SURYA HIBRID ZnO-KLOROFIL

Transkripsi

1 4 FABRIKASI DAN KARAKTERISASI SEL SURYA HIBRID ZnO-KLOROFIL 21 Pendahuluan Sel surya hibrid merupakan suatu bentuk sel surya yang memadukan antara semikonduktor anorganik dan organik. Dimana dalam bentuk ini material organiknya digunakan sebagai pemanen cahaya atau komponen fotoaktif. Pada sel surya hybrid, lapisan aktif memiliki beberapa bentuk yaitu bilayer, bulk heterojunction, dan interdigital. Dalam penelitian ini dibuat jenis sel surya hibrid dengan struktur lapisan aktif bulk heterojunction, yang mana pada bentuk ini material semikonduktor anorganik (ZnO) dicampur dengan bahan organik (dye), dalam penelitian ini yang digunakan klorofil. Dipilihnya bentuk ini dikarenakan proses pembuatannya lebih mudah dibandingkan dengan bilayer dan interdigital. Regenerasi dari molekul organik yang akan menginjeksikan hole ke dalam elektrolit atau material transpor hole yang kemudian ditransferkan ke elektrodanya untuk menerima elektronnya sehingga membentuk pasangan muatan bebas. Sehingga dalam proses ini dibutuhkan bentuk elektrolit yang lebih stabil, yang mampu meningkatkan peforma dari sel surya. Beberapa kombinasi elektrolit pada sel surya hibrid yang telah dilakukan untuk meningkatkan peforma dari sel surya adalah ZnO/N3/CuSCN (O Regan et al. 2002), TiO 2 /N 3 /CuI (Meng et al.2003), TiO 2 /C60/CuSCN (Senadeera dan Perera. 2005) dan ZnO/N719/CuSCN (Desai et al. 2012). Melihat kombinasi yang akan dilakukan dalam penelitian ini yaitu ZnO/klorofil dalam bentuk bulk heterojunktion, maka elektrolit yang mungkin untuk digunakan adalah CuSCN sebagai konduktor hole. Tujuan Memodifikasi dan mengkarakterisasi semikonduktor nanopartikel ZnO dan klorofil dalam bentuk sel surya hibrid bulk heterojunction Metode Fabrikasi film hibrid Fabrikasi film hibrid ZnO/klorofil dilakukan dengan melarutkan 0,005 gram ZnO ke dalam 5 ml etanol kemudian di stirrer 300 rpm sambil ditetesi 10 µl aethylen glycol kemudian memasukkan 0,005 gram dye klorofil. Reaksi dilakukan selama 10 menit sampai semua komposisi terlihat tercampur sempurna. Pelapisan film ZnO/klorofil dilakukan dengan menggunakan metode spin coating (Ibrahem M.A et al, 2013)

2 22 Fabrikasi sel surya hibrid Pembuatan sel surya hibrid bulk heterojunction dilakukan dengan cara mencampurkan bahan semikonduktor bubuk ZnO dan bubuk klorofil dengan perbandingan 1:1 kemudian campuran ini digerus dengan menggunakan mortar dan ditambahkan etanol secukupnya sampai halus sempurna, setelah itu ditambahkan larutan asam asetat 1% 0,5 ml untuk campuran 0,1 gram ZnO dan 0,1 gram klorofil, setelah tercampur sempurna kemudian adonan diteteskan diatas kaca TCO yang telah diabuat pola terlebih dahulu dengan ukuran 1x1 cm. Pelapisan dilakukan dengan menerapkan metode Docter bladge. Sel yang telah terbentuk dibiarkan pada temperatur ruang sampai mengering, kemudian sel ditetesi dengan larutan CuSCN secukupnya sampai merata. Larutan CuSCN dibuat dengan cara melarutkan 0,1 gram bubuk CuSCN ke dalam 12 ml acetonitril dan selanjutnya ditutup kembali dengan kaca TCO yang mana bagian konduktifnya menghadap kearah bagian dalam sel dan kemudian dijepit dan biarkan selama beberapa saat. Sel surya yang tersusun atas lapisan TCO/CuSCN/ZnO-Klorofil/TCO dikarakterisasi dengan menggunakan rangkaian sebagaimana yang terlihat pada Gambar 15. Pengukuran dilakukan secara langsung menggunakan sinar matahari dengan intensiatas yang terukur adalah 117,401W/m 2, dari pengukuran ini didapatkan kurva yang memperlihatkan hubungan antara tegangan (V) dan rapat arus (J) atau yang dikenal sebagai kurva I-V. Gambar 15. Rangkaian pengukuran karakterisasi arus tegangan sel surya Hasil dan Pembahasan Hasil eksperimen didapatkan bahwa spektrum ZnO menyerap kuat pada daerah UV pada panjang gelombang 367 nm. Setelah dilakukan kombinasi antara ZnO dengan klorofil, Zn-feofitin dan Cu-feofitin, telah menyebabkan perubahan pada daerah serapan ZnO menjadi lebih lebar, dari spektrum UV ke visibel yaitu pada panjang gelombang 300 nm sampai 500 nm, sebagaimana yang terlihat pada Gambar 16. Pada Gambar 16 tampak bahwa spektrum ZnO melebar dari 330 nm sampai 500 nm untuk penambahan klorofil, pada penambahan Zn-foefitin terjadi dua pelebaran puncak yaitu dari 330 nm sampai 388 nm dan dari 400 nm sampai 511 nm, akan tetapi pelebaran ini tidak terlalu signifikan dibandingkan dengan

3 penambahan klorofil. Untuk kombinasi antara ZnO dengan Cu-feofitin, terjadi pelebaran puncak yang sangat signifikan yaitu dari 300 nm sampai 600 nm. Pelebaran spektrum setelah penambahan klorofil dan klorofil kompleks ini mengindikasikan banyakya jumlah spektrum yang terserap oleh kombinasi material ZnO dengan dye, sehingga sangat mendukung bila diaplikasikan sebagai sel surya. 23 0, ,2 Absorbansi dye (a.u) 0,20 0,15 0,10 0,05 Klorofil Zn-feofitin Cu-feofitin ZnO 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Absorbansi ZnO (a.u) 0,00 0, Panjang gelombang (nm) Gambar 16. Sifat optik film hibrid nanopartikel ZnO/klorofil Karakteristik I-V Karakteristik I-V menjelaskan bagaimana sel surya tersebut mampu bekerja di bawah cahaya langsung. Hal tersebut dapat terlihat pada kurva yang terdiri atas beberapa parameter seperti arus hubungan singkat I sc (short circuit) yaitu arus ketika potensial sama dengan nol, tegangan rangkaian terbuka V oc (open circuit voltage) yaitu tegangan ketika beban luar diberikan sangat besar, V max yaitu tegangan yang memberikan nilai daya maksimum, dan I max arus yang memberikan nilai daya maksimum. Saat tanpa cahaya sel surya memiliki karakteristik sebagaimana pada dioda ideal, sehigga hubungan antara arus dan tegangannya dapat dituliskan sebagaimana pada persamaan (6). ( ) Saat sel surya disinari akan dihasilkan arus yang terjadi karena pembangkitan elektron oleh cahaya dengan energi tertentu (foton), sehingga rapat arus total yang mengalir pada rangkaian terbuka dapat dituliskan seperti pada persamaan (7), yaitu:

4 24 ( ) dimana k B adalah konstanta Bolztaman, T adalah J 0 adalah rapat arus saturasi, J sc adalah rapat arus pada rangkaian terhubung singkat saat disinari ketika V= 0. Tegangan yang diukur pada rangkaian terbuka (open circuit) ketika J(V)= 0, disebut tegangan rangkaian terbuka (V oc ), yang dapat dituliskan seperti pada persamaan (8) ( ) ( ) Efisiensi konversi merupakan kemampuan sebuah piranti sel surya untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik dalam bentuk arus tegangan. Efisiensi konversi energi sebuah energi sebuah sel surya dapat dinyatakan melalui persamaan (9) dengan P max adalah daya maksimum yang dihasilkan yaitu: dari persamaan ini diperoleh nilai fill factor (FF) melalui persamaan (11) Subtitusi persamaan (11) ke dalam persamaan (10), maka persamaan (9) dapat dituliskan sebagaimana dalam persamaan (13), yaitu: P in adalah daya energi cahaya yang tiba pada permukaan sel surya. P in ditentukan melalui persamaan (13) dengan I in adalah intensitas sumber cahaya dan A adalah luas permukaan sel surya yang disinari. Bila persamaan (10) disubtitusikan kedalam persamaan (9), maka besar efisiensi dapat dituliskan sebagaimana dalam persamaan (14). Gambar 17 menunjukkan tiga bentuk kurva karakteristik I-V yang merupakan hasil kombinasi antara (A) ZnO/klorofil, (B) ZnO/Zn-feofitin dan (C)

5 ZnO/Cu-feofitin. Pada kurva tersebut tampak bahwa adanya perbedaan pada nilai tegangan dan rapat arus yang berbeda-beda. Besar dan kecilnya tegangan yang dihasilkan pada masing-masing sel tergantung pada kombinasi antara semikonduktor (ZnO), dye dan elektrolit (CuSCN). Semakin banyak dye yang terjerap atau menempel pada permukaan partikel ZnO akan semakin memicu untuk terjadinya beda potensial sebagai pembangkit tegangan, sehingga dengan penambahan elektrolit padat CuSCN yang merupakan sumber hole akan meningkatkan tegangan yang ada. Dari beberapa studi literatur diketahui bahwa penambahan elektrolit CuSCN dapat meningkatkan peforma sel surya pada tegangan terbuka (V oc ) (Desai et al. 2012; O Regan et al. 2002). Karakteristik I-V yang diperoleh dari masing-masing sel tampak adanya perbedaan bentuk kelengkungan kurva. Ini menggambarkan bagaimana mobilisasi elektron pada masing-masing sel yang berbeda. Gambar 17 (A) kombinasi ZnO/klorofil dan (B) kombinasi ZnO/Zn-feofitin memiliki bentuk kurva yang kurang ideal. Kurang idealnya kurva ini ditandai oleh kelengkungannya yang curam, disebabkan oleh kebocoran yang terjadi pada masing-masing sel kemungkinan disebabkan adanya rekombinasi prematur atau jatunya elektron sebelum sampai pada elektrodanya. Jatuhnya elektron ini kemungkinan disebabkan oleh stabilitas dari masing-masing dye. Sedangkan untuk sel kombinasi ZnO/Cu-feofitin pada Gaambar 17(C) memperlihatkan bentuk karakteristik kurva I-V yang lebih ideal meskipun memiliki nilai tegangan V oc dan rapat arus (J sc ) yang lebih rendah. Idealnya bentuk kurva yang dihasilkan ini kemungkinan disebabkan oleh stabilitas dari dye. Sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 15, tampak bahwa Cu-feofitin lebih stabil dari klorofil dan Znfeofitin. Perbedaan nilai tegangan V oc pada Gambar 17, kemungkinan disebabkan oleh jumlah muatan pada masing-masing dye yang berbeda. Perbedaan ini ditandai dengan penurunan nilai absorbansi dari masing-masing dye seperti yang ditujukkan pada Gambar 15. Jumlah muatan yang banyak memungkinkan untuk terjadinya pasangan muatan bebas (eksiton) yang lebih banyak ketika mendapat energi foton yang cukup, sehingga memicu timbulnya nilai tegangan yang lebih besar. Sedangkan untuk rapat arus I sc yaitu arus yang mengalir saat terjadi hubungan singkat pada rangkaian uji, untuk analisis sel biasanya digunakan rapat arus (J) yaitu arus yang mengalir untuk setiap satuan luas. Disini didapatkan nilai rapat arus (J) untuk masing-masing sel tampak bervariasi dan tergolong masih sangat rendah. Rendahnya rapat arus ini disebabkan oleh berbagai faktor, semua komponen dalam sel sangat berpengaruh. Bila ditinjau secara khusus yaitu yang sangat berpengaruh dalam proses mobilitas elektron dari satu elektroda ke elektroda lainnya adalah ukuran partikel, dimana telah dilaporkan bahwa ukuran ideal diameter partikel dalam aplikasi sel surya adalah kurang dari 10 nm, semakin kecil ukuran suatu partikel akan memudahkan elektron menuju elektroda lainnya sehingga dapat mencegah terjadinya rekombinasi prematur elektron (Lee et al. 2011). 25

6 26 10 Rapat arus(j) (ma.cm -2 ) x A Tegangan(V) (mv) Rapat arus(j) (ma.cm -2 ) x B Tegangan(V) (mv) Rapat arus(j) (ma.cm -2 ) x ,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 C Tegangan(V) (mv) Gambar 17 Karakteristik I-V sel surya hibrid ZnO/Klorofil kompleks (Znfeofitin, Cu-feofitin) (A) Klorofil (B) Zn-feofitin (C) Cu-feofitin

7 Hasil karakteristik I-V pada Gambar 17, dapat dihitung beberapa nilai parameter dalam sel surya yang meliputi Tegangan terbuka (V oc ), rapat Arus pendek (J sc ), tegangan maksimum (V max ), rapat arus maksimum (J max ), daya maksimum (P max ), fill factor (FF) dan efisiensi (η) yang dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Nilai parameter dalam sel surya Sel V oc I sc V max I max P max FF η (mv) (ma) (mv) (ma) (mwcm -2 ) (%) A 542 9,9x ,4x10-4 0,196 0,37 2,5 B 427 1,2x ,2x ,45 1,3 C 286,8 2,2x ,5 1,6x10-4 0,035 0,55 0,3 A : ZnO/Klorofil/CuSCN B : ZnO/Zn-feofitin/CuSCN C : ZnO/Cu-feofitin/CuSCN Pada Tabel 2 tampak bahwa nilai parameter sel surya yang dihasilkan bervariasi. Bervariasinya hasil ini tergantung pada karakteristik I-V yang dibentuk dari masing-masing sel. Pada Tabel 2 tampak juga perbedaan antara nilai tegangan maksimum (V maks ) dan arus maksimum (I maks ). Perbedaan nilai tegangan maksimum (V maks ) kemungkinan disebabkan oleh penurunan jumlah muatan bebas (eksiton) yang dihasilkan ketika dye berinteraksi dengan foton secara terus menerus. Dye yang baik akan menghasilkan muatan bebas yang besar, selanjutnya dikonversi menjadi arus ketika sampai pada elektroda. Arus maksimum yang dihasilkan merupakan gambaran jumlah elektron yang sampai pada elektrodanya. Bila dilihat dari nilai V oc dan V maks untuk semua sampel tampak adanya penurunan yang signifikan yang tunjukkan oleh sel A dan sel B, ini menggambarkan adanya penurunan kualitas dye ketika berinteraksi dengan foton, sehingga muatan yang dikonversi menjadi arus pun semakin berkurang. Peristiwa ini sebagaimana ditunjukkan oleh bentuk kurva I-V. Sedangkan untuk sampel C terlihat hanya sedikit perubahan yang terjadi dari V oc ke V maks, ini menggambarkan bahwa dye ketika berinteraksi dengan foton hanya sedikit kehilangan muatan yang akan dikonversi menjadi arus. Sehingga tampak bahwa kelengkungan kurava I-V yang dihasilkan lebih ideal dari sel A dan B. Kestabilan kurva I-V yang dihasilkan oleh masing-masing sampel juga ditunjukkan oleh hasil perhitungan fill factor (FF). Hasil perhitungan fiil factor menunjukkan bahwa sel C yaitu kombinasi ZnO/Zn-feofitin/CuSCN menghasilkan nilai sebesar 55% atau 0,55 dari nilai ideal. Akan tetapi nilai efisiensi yang dihasilkan lebih rendah dari sel A dan B. Rendahnya nilai efisiensi ini kemungkinan disebabkan oleh rendahnya jumlah muatan yang dikonversi menjadi arus maksimum yang diakibatkan oleh rendahnya kosentrasi Cu-feofitin. Konversi yang baik dari V oc ke V maks akan menghsilkan daya maksimum (P maks ) yang lebih besar. Hasil ini diperlihatkan oleh kombinasi ZnO/Zn-feofitin/CuSCN (sel B). 27