BAB II LANDASAN TEORI A. Tinjauan Pustaka 1. Peranan Semikonduktor pada DSSC Semikonduktor merupakan material yang mempunyai sifat kelistrikan antara konduktor dan isolator. Karakteristik kelistrikan dari semikonduktor cukup sensitif terhadap perubahan konsentrasi dan perubahan kondisi lingkungan (Callister, 2001). Semikonduktor listrik dapat didefinisikan sebagai suatu material yang memiliki elektron pada setidaknya dua pita energi yang terpisah oleh suatu pita tanpa elektron. Kedua pita tersebut adalah pita valensi yang terisi elektron hampir penuh dan pita konduksi yang belum terisi oleh elektron. Celah yang memisahkan kedua pita tersebut sehingga keadaannya tidak terisi elektron disebut dengan celah pita atau band gap. Band gap untuk material semikonduktor umunya berada diantara 1 hingga 5 ev. Fungsi dari semikonduktor pada DSSC adalah mengonversi energi foton dari radiasi matahari melalui proses eksitasi elektron berdasarkan celah energi materialnya. Pada DSSC, semikonduktor yang umum digunakan adalah TiO 2, ZnO, dan NiO. Kelebihan dan kekurangan dari beberapa semikonduktor untuk aplikasi DSSC dapat dilihat pada Tabel 1. (Ooyama and Harima, 2012). Tabel 1. Kelebihan dan Kekurangan Material Semikonduktor untuk DSSC TiO 2 ZnO NiO Tipe semikonduktor Kelebihan Kekurangan Mempunyai performa pada photovoltaik yang tinggi di daerah sinar tampak Efek rekombinasi muatan elektron yang relatif rendah Injeksi hole yang cukup cepat Pada daerah sinar inframerah performanya rendah Tingkat stabilitas kimia yang cukup rendah Efek rekombinasi muatan elektron yang cukup tinggi dan regenerasi dye yang rendah
Sifat semikonduktor yang mudah berubah dengan adanya gangguan energi dan komposisi menjadikan penelitian pada bidang material ini semakin meningkat. Rekayasa material terus dilakukan untuk memperbaiki properti dari semikonduktor salah satunya penggunaan nanomaterial. Teknologi nano akan memberikan sifat biologi, kimia dan fisika yang baru pada suatu material. Umumnya, teknologi nano pada suatu material akan berukuran 100 nanometer (10-9 meter) atau lebih kecil. Pada ukuran nano, material bisa mempunyai sifat properti yang berbeda atau akan lebih maju jika dibandingkan dengan material sama yang berukuran mikron. Hal ini dapat dikarenakan meningkatnya luas area relatif dan dominasi dari efek kuantum. Dengan meningkatnya luas area per unit massa, reaktivitas kimia juga akan meningkat (Panthi et al., 2015). Penggunaan material nano juga banyak dikembangkan untuk semikonduktor DSSC. Untuk meningkatkan unjuk kerja DSSC, berbagai metode telah dilakukan salah satunya memodifikasi semikonduktor DSSC mulai dari material, bentuk, maupun ukurannya. Salah satu semikonduktor DSSC yang banyak dilakukan rekayasa material adalah ZnO. Dibandingkan dengan TiO 2 yang mempunyai celah energi sebesar 3,24 ev, celah energi ZnO lebih besar yaitu sebesar 3,61 ev yang menjadi salah satu penyebab tingkat konversi energi sel surya berbasis ZnO lebih rendah dibandingkan dengan sel surya berbasis TiO 2. Hal ini dikarenakan kemampuan eksitasi elektron pada ZnO yang rendah saat terkena foton dari cahaya matahari. Namun ZnO mempunyai photoactivity yang lebih tinggi pada radiasi sinar ultraviolet dan sinar tampak. ZnO juga mempunyai effisiensi yang lebih tinggi dalam memproduksi OH radikal dan mengurangi efek rekombinasi (Ooyama and Harima, 2012; Udom et al., 2013). Selain itu, harga yang relatif murah dari material pembentuk ZnO menjadikan semikonduktor ini bayak diteliti untuk menghasilkan DSSC dengan harga yang terjangkau dan kompetitif. Maka pada penelitian ini akan menggunakan semikonduktor ZnO sebagai fotoanoda DSSC. Pada aplikasi DSSC, fotoanoda yang berbasis nano semikonduktor mampu meningkatkan daya serap terhadap dye akibat bertambahnya luas permukaan. Selain itu juga diperoleh sifat elektrik yang menguntungkan seperti
peningkatan eksitasi elektron oleh foton (Hussein, 2015). Namun dengan mengecilnya ukuran elektroda yang berskala nanometer akan mengurangi mobilitas elektron dari satu partikel ke partikel lainnya karena koneksi yang diperlukan elektron menjadi berkurang dan tersebar secara acak seperti pada Gambar 1. (Mohammed and Rohani, 2011). Gambar 1. Ilustrasi Pergerakan Elektron pada Nanopartikel 2. ZnO sebagai Anti-Reflection Coating (ARC) Anti-reflection coating (ARC) atau pelapis anti refleksi memiliki peran penting untuk meningkatkan efisiensi perangkat photovoltaic dengan meningkatkan cahaya kopling ke dalam sisi aktif dari perangkat photovoltaic (Boden dan Bagnall, 2006). Salah satu faktor yang menjadi penyebab rendahnya efisiensi konversi ini adalah tidak semua cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya silikon diserap dan dikonversi menjadi energi listrik, melainkan sebagian diantaranya dipantulkan kembali ke udara. Peristiwa pemantulan cahaya oleh permukaan sel surya terjadi akibat adanya perbedaan indeks bias diantara dua medium yang dilalui cahaya (udara-semikonduktor bahan pembuat sel surya) (Algora dan Vicente, 2001). Mekanisme fisis refleksi cahaya dapat dijelaskan dengan konsep penyerapan dan radiasi kembali (reradiation) cahaya oleh atom-atom penyusun bahan (material) pembuat sel surya. Cahaya yang datang pada material akan diserap dan selanjutnya akan diradiasikan kembali ke lingkungan oleh atom-atom tersebut. Cahaya radiasi ini menyebar ke segala arah dengan frekuensi yang sama dan akan berinterferensi konstruktif untuk menghasilkan cahaya refleksi (Tipler, 1992). ARC telah banyak diterapkan untuk
berbagai jenis perangkat optoelektronik, seperti sel surya, fotoelektroda, dan dioda pemancar cahaya. Pelapis anti refleksi umumnya terdiri dari satu atau lebih lapisan dielektrik. Umumnya ARC single layer dengan ketebalan seperempat panjang gelombang hanya dapat bekerja pada daerah spektrum tertentu. Untuk mengatasi hal ini, struktur nano dengan dimensi panjang gelombang tertentu telah terbukti bahwa ARC menjadi lebih baik karena gradasi dan indeks biasnya yang dapat mengurangi refleksi melalui interferensi destruktif antara gelombang reflektif (Lee et al., 2011). Salah satu oksida logam yang dapat digunakan sebagai bahan pelapis anti refleksi adalah ZnO karena memiliki transparansi yang baik dan memiliki sifat yang transparan, material ZnO memiliki indeksi bias sekitar 2,01 sehingga material ZnO ini sangat berpotensial untuk dikembangkan sebagai material anti refleksi (Mizuta, 2006; Lee et al., 2011). Kelebihan anti refleksi berbahan dasar ZnO dibanding TiO 2 yaitu sifat toksiksitasnya lebih rendah, mudah diperoleh di pasaran dengan harga yang relatif murah, dan dapat dilapiskan dengan teknik pelapisan yang sederhana dan murah (Aslan et al., 2004). Modifikasi material ZnO tersebut menyebabkan rasio luas permukaan terhadap volume yang jauh lebih besar dibandingkan pada skala ruahnya (Martha, 2011). Dengan demikian, pada reaksi yang terjadi di permukaan partikel, reaksi dapat terjadi lebih intensif. Hal ini memberikan keuntungan pada perbaikan efisiensi secara umum terutama penggunaan ZnO sebagai material photovoltaic. Hasil penelitian yang ditunjukan oleh Bao et al., (2013) menunjukan bahwa semakin besar ukuran kristal ZnO akan memberikan efisiensi konversi energi yang rendah. Ukuran kristal ZnO sangat berpengaruh terhadap sifat anti refleksi. Menurut Khaldun et al., (2012), ukuran krital ZnO sebagai anti refleksi dapat terbentuk pada suhu kalsinasi 380 o C dengan ukuran kristal berkisar 20 nm. Pada prinsipnya lapisan anti refleksi digunakan untuk mengurangi atau kalau mungkin menghilangkan sama sekali gelombang cahaya yang direfleksi oleh permukaan sel surya sehingga energi cahaya yang jatuh di permukaan sel surya dapat ditransmisikan dan diserap sebanyak-banyaknya oleh sel surya untuk dikonversi menjadi energi listrik. Pengkajian tentang pengurangan refleksi cahaya
oleh lapisan anti pantul dapat dilakukan dengan menerapkan prinsip interferensi destruktif. Gambar 2. menunjukkan mekanisme refleksi yang terjadi pada permukaan sel surya apabila di atas permukaannya diberi lapisan anti pantul (anti refleksi) tunggal (Melles, 2009). Gambar 2. Mekanisme Refleksi pada Permukaan Sel Surya yang diberi Lapisan Anti Refleksi Sistem sel surya lain yang menggunakan anti refleksi ZnO yaitu pada TiO 2. Adanya bahan anti refleksi ZnO yang dilapiskan pada permukaan lapis tipis TiO 2 menghasilkan penyerapan cahaya sinar matahari (foton) maksimum sehingga interaksi antara dye dengan foton akan maksimal dengan demikian efisiensi dari sistem solar sel akan meningkat dengan efisiensi sebesar 1,13% (Wahyuningsih et al., 2016) sebagaimana diilustrasikan oleh Gambar 3. (Mizuta, 2006). Gambar 3. Ilustrasi Penyerapan Sinar Matahari Dengan Adanya Pelapisan Anti- Refleksi pada DSSC
3. Metode Sintesis ZnO Nanopartikel a. Proses Sol Gel Proses sol gel dapat didefinisikan sebagai proses pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah, dimana dalam proses tersebut terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk fasa cair kontinyu (gel) (Ismail et al., 2012). Metode sol-gel dikenal sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel yang cukup sederhana dan mudah. Metode ini merupakan salah satu wet method karena pada prosesnya melibatkan larutan sebagai medianya. Pada metode sol-gel, sesuai dengan namanya larutan mengalami perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol) (Ismail et al., 2012). Sol adalah suspensi koloid yang fasa terdispersinya berbentuk solid (padat) dan fasa pendispersinya berbentuk liquid (cairan). Suspensi dari partikel padat atau molekul-molekul koloid dalam larutan, dibuat dengan metal alkoksi dan dihidrolisis dengan air, menghasilkan partikel padatan metal hidroksida dalam larutan. Reaksinya adalah reaksi hidrolisis (Ismail et al., 2012). Gel (gelation) adalah jaringan partikel atau molekul, baik padatan dan cairan, dimana polimer yang terjadi di dalam larutan digunakan sebagai tempat pertumbuhan zat anorganik. Pertumbuhan anorganik terjadi di gel point, dimana energi ikat lebih rendah. Reaksinya adalah reaksi kondensasi, baik alkohol atau air, yang menghasilkan oxygen bridge untuk mendapatkan metal oksida (Ismail et al., 2012). Prekursor (senyawa awal) dalam proses sol-gel tersusun atas unsur logam atau metaloid yang dikelilingi oleh ligan. Pada umumnya prekursor yang digunakan yaitu logam alkoksida atau garam anorganik. Dari larutan prekursor tersebut akan terbentuk sol. Metode sol-gel meliputi hidrolisis, kondensasi, pematangan dan pengeringan yang diilustrasikan pada Gambar 4. (Ismail et al., 2012).
Gambar 4. Tahapan Preparasi Material Menggunakan Metode Sol-Gel Proses sol-gel mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan pemrosesan dengan cara konvensional. Di bawah ini adalah beberapa keuntungan yang didapat dari cara sol-gel : a. Peningkatan keseragaman kimiawi (chemical homogeneity) di dalam sistem multi komponen. b. Dapat menghasilkan permukaan yang luas dari pada gel atau tepung (powder). c. Tingkat kemurnian yang tinggi karena tidak adanya proses pengikisan (grinding) ataupun penekanan (pressing). d. Rendahnya temperatur dari proses. e. Proses pelapisan (coating) dapat dilakukan dalam kondisi atmosfer. f. Proses yang terus menerus (continuous processing). g. Kombinasi yang khas antara sifat dari film dengan sifat dari substrat.
h. Dapat menghasilkan berbagai jenis produk dalam bentuk serat (fibers), tepung (powder) dengan cara yang relatif mudah dimulai dengan larutan yang sederhana. Dari semua kelebihan/keunggulan yang tersebut di atas, satu hal yang amat penting adalah bahwa semua sifat-sifat (kimia, komposisi, dan sebagainya) yang terdapat pada awal proses akan tetap terjaga sampai dengan akhir proses. Reaksi yang terjadi pada metode ini (Khan et al., 2013) sebagai berikut: Zn(CH 3 COO) 2 Zn(OH) 2 + 2CH 3 COO -......(1) 2- Zn(OH) 2 + 2NaOH Zn(OH) 4 + 2Na +...(2) 2- Zn(OH) 2 + 2H 2 O Zn(OH) 4 + 2H +...(3) 2- Zn(OH) 4 ZnO + H 2 O + 2OH -...(4) b. Metode Hidrotermal Metode hidrotemal merupakan salah satu diantara berbagai macam teknik kristalisasi dan menjadi salah satu bagian terpenting pada penelitian ini. Tujuannya tak lain untuk mendapatkan tingkat kristalinitas yang tinggi pada lapisan tipis ZnO. Metode ini memilki banyak keuntungan diantaranya: 1. Mampu menghasilkan produk kristal homogen yang dapat dicapai pada temperatur yang cukup rendah (dibawah 150 C) dengan deraja kristalinitas yang tinggi. 2. Dapat mengurangi penggumpalan (agglomeration) di antara partikel. 3. Mampu menghasilkan distribusi ukuran partikel yang relatif seragam (narrow) 4. Morfologi partikel yang terkontrol dan kemurnian produk yang tinggi. Pertumbuhan kristal ini terjadi di dalam sebuah alat yang terbuat dari tabung baja yang dinamakan autoclave. Umumya alat ini berupa silinder berdinding tebal yang memiliki hermetic seal dengan tujuan tahan terhadap temperatur tinggi serta tekanan dalam periode waktu tertentu. Pencegahan terhadap terjadinya reaksi antara dinding bagian dalam dengan zat yang dimasukkan, maka autoclave ini harus inert terhadap larutan (solvent). Hal ini
sangat penting untuk diperhatikan, terlebih lagi dalam beberapa kasus zat yang dimasukkan bersifat korosi. Pencegahan korosi ini, umumnya autoclave diberi tambahan berupa protective- insert. Insert ini dapat terbuat dari tembaga, perak, emas, titanium, platina, kaca, kuarsa atau teflon, tergantung temperatur yang akan digunakan. Bagian umum sebuah autoclave diperlihatkan pada Gambar 5. (Yuwono et al., 2004). a) b) Gambar 5. a) Skematis Hidrotermal, b) Autoclave dengan Insert Persiapan ZnO dan oksida lainnya telah umum dilakukan dengan proses hidrotermal. Proses hidrotermal memungkinkan pengendalian ukuran kristal, morfologi dan tingkat aglomerasi dengan pemilihan material awalan, keasaman, waktu, dan suhu. Keunggulan metode hidrotermal adalah srtuktur kristalin yang sangat homogen pada suhu yang relatif rendah sekitar 150 o C. c. Metode Pengendapan Kimia Basah Berbagai macam metode yang telah digunakan dan dikembangkan dalam sintesis ZnO sehingga menjadi struktur yang berukuran nano. Serbuk nanopartikel ZnO dapat disintesis dengan metode reaksi pada kondisi solid (solis-state reaction), metode larutan-cair (liquid-solution), dan metode sintesis
dengan teknik aerosol. Berbagai metode yang berkembang tersebut tentunya memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing. Pemilihan metode untuk mensintesis ZnO nanostructure didasarkan atas aplikasi yang diinginkan. Pada aplikasi yang berhubungan dengan dunia fotokatalisis, solar sel dan pengolahan limbah dibutuhkan ZnO nanopartikel, metode larutan-cair atau metode pengendapan kimia basah diatas sangat memungkinkan karena beberapa alasan yaitu : temperatur sintesis yang rendah, proses yang sederhana, peralatan yang digunakan sederhana, dan kemudahaan mengontrol setiap tahapan proses (Nishio dan Tsuciya, 2000). Reaksi pada kondisi padat dilakukan pada temperatur tinggi memilki keuntungan antara lain ZnO yang dihasilkan memilki kemurnian dan kristalinitas yang baik, tetapi ZnO yang dibuat pada kondisi padat menghasilkan partikel dengan ukuran besar dan morfologi tidak teratur. Metode lain adalah dengan teknik aerosol, dimana dalam metode ini material/perkusor dicampur pada larutan pada level atomic. Dengan metode ini dapat diperoleh partikel berukuran nano dengan struktur berbentuk simetri hexagonal. Metode lain yang lebih modern dikembangkan bertujuan untuk menghasilkan partikel dengan kristalinitas tinggi, morfologi yang teratur dan berbentuk bulat (sphere) dengan kemurnian tinggi, serta memiliki konduktivitas dan transparansi yang tinggi adalah metode aerosol. Proses pengolahan material dengan metode aerosol secara luas digunakan dalam industri produksi partikel fungsional yang baik dalam jumlah besar dari material tunggal menjadi multikomponen termasuk logam, oksida logam, dan material non-oksida dengan komposisi kimia homogen dalam waktu yang singkat dan proses operasi yang kontinyu. Terlebih lagi dengan proses aerosol, partikel produk dapat dengan mudah dipisahkan dari aliran gas tanpa proses lagi sesudahnya dan menghasilkan material dengan kemurnian yang tinggi. Kelebihan metode ini adalah waktu yang diperlukan untuk memperoleh serbuk ZnO lebih singkat, akan tetapi membutuhkan energi yang besar dan resiko yang cukup tinggi karena menggunakan media pemanas/pembakaran. Selain itu ukuran serta morfologi partikel ZnO yang dihasilkan kurang seragam, tergantung sempurna atau tidaknya pembakaran di
setiap titik yang di semprot. Metode aerosol digolongkan antara lain flame synthesis, dan spray pyrolysis. Secara umum metode kedua metode ini melibatkan reaksi evaporasi droplet yang berupa koloid larutan prekursor yang dibawa oleh carrier gas yang selanjutnya terjadi reaksi dekomposisi termal dimana biasanya mengikuti prinsip one droplet to one particle untuk menghasilkan partikel produk yang berukuran mikrometer, submikrometer ataupun nanometer. Metode spray pyrolysis sebagai sumber panas digunakan dinding yang dipanasi secara elektrik sedangkan flame spray pyrolysis menggunakan bahan bakar gas (LPG) sebagai pemanas dengan ciri utama semburan (flame) sebagai tempat terjadinya reaksi. Spray pyrolysis memiliki keuntungan dibandingkan metode flame spray pyrolysis. Pada flame spray pyrolysis, kondisi temperatur yang tidak merata pada reaktor tempat terjadinya reaksi, hanya daerah semburan api yang memiliki temperatur sama dan sekeliling sumber api memiliki perbedaan temperatur dan mudah terjadi aglomerasi pada partikel yang dihasilkan. Sedangkan pada spray pyrolysis mudah menghindari terjadinya aglomerasi hanya dengan mengatur kondisi operasi pada reaktor, maka spray pyrolysis dipilih sebagai metode sintesis partikel dalam penelitian ini. Namun metode spray pyrolysis juga memiliki kekurangan yaitu morfologi dari partikel dapat berongga atau berlubang, serta distribusi ukuran partikel yang tidak merata (Arief, 2011). Metode larutan-cair (liquid-solution) seperti sol-gel, hidrotermal, dan pengendapan kimia basah (wet chemical precipitation) telah banyak diaplikasikan untuk membuat serbuk ZnO berukuran nanometer. Keuntungan dari metode ini adalah pengaturan morfologi serta ukuran ZnO yang cukup baik dan seragam, juga sudah berbentuk koloid, sehingga mudah untuk diambil lapisan tipisnya. Selain itu juga tidak membutuhkan banyak energi dan prosesnya sangat sederhana mudan dan aman dilakukan. Tetapi metode ini memiliki kelemahan yaitu produk yang dihasilkan mengandung kontaminan, kristalinitas yang rendah dan proses yang lama sehingga produk yang dihasilkan kurang memenuhi syarat apabila diaplikasikan di bidang teknologi (Arief, 2011).
4. Karakterisasi Material a. Difraksi Sinar-X Pengujian XRD (X-Ray Diffraction) ini memiliki dua tujuan utama, yaitu untuk konfirmasi jenis fasa dari material nano dan mengetahui besar ukuran kristal yang dihasilkan. Prinsip kerja dari XRD berdasarkan pola difraksi yang disebabkan oleh adanya hubungan fasa tertentu dengan dua gelombang atau lebih sehingga paduan gelombang tersebut saling menguatkan atau melemahkan. Atomatom yang ada dalam zat padat dapat menghamburkan sinar-x. Ketika sinar-x jatuh pada kristal maka akan terjadi hamburan ke segala arah. Hamburan sinar-x ini bersifat koheren sehingga saling menguatkan atau saling melemahkan (Warren, 1969). Data yang diperoleh dari karakterisasi XRD adalah harga intensitas dan panjang celah pada sudut 2θ tertentu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Setiap unsur atau senyawa memiliki harga lebar celah (d) dan intensitas yang berbeda dan spesifik. Dari posisi besar sudut 2θ puncak-puncak yang dihasilkan saat pengujian XRD ZnO (Wahyuningsih et al., 2016). Gambar 6. Hasil XRD ZnO Data yang diperoleh dari pengujian XRD akan digunakan untuk mengestimasi ukuran kristal struktur nano ZnO melalui analisa nilai broadening atau pelebaran beberapa titik puncak dari tiap sampel dengan menggunakan perangkat lunak origin sehingga diperoleh masing-masing nilai FWHM (full width at half maximum) dan besar nilai 2θ pada tiap puncak (peak). Penentuan analisa puncak-puncak sampel dan nilai FWHM dari suatu data hasil pengujian XRD dapat diilustrasikan pada Gambar 7. (Leroy dan Harold, 1950).
Gambar 7. Ilustrasi Nilai FWHM pada Suatu Puncak Besarnya ukuran kristal dapat diketahui dengan menggunakan persamaan Scherrer, dengan nilai k = 0,90 dan λ = 0,15406 nm. Adapun persamaan Scherrer adalah sebagai berikut : ( )... (5) Dimana t adalah ukuran diameter kristal ; k adalah konstanta proporsionalitas; λ adalah panjang gelombang dari difraksi Sinar-x yang digunakan; B adalah lebar dari setengah puncak difraksi maksimum (FWHM) dan θ adalah sudut Bragg yang terbaca oleh mesin XRD (Leroy dan Harold, 1950). b. Morfologi Permukaan dengan Scanning Electron Microscopy (SEM) SEM adalah salah satu jenis mikroskop elektron yang menggunakan berkas elektron untuk menggambar profil permukaan benda. Prinsip kerja SEM adalah menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi. Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkan kembali berkas tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah tetapi ada satu arah di mana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor di dalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberikan informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan ke mana arah kemiringan. Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam permukaan benda harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder ketika ditembak dengan berkas elektron. Oleh karena itu, benda yang akan di uji
harus dilapisi dengan logam. Jika benda yang akan diamati berasal dari logam tidak perlu dilapisi dengan logam lagi (Abdullah et al., 2009). Morfologi dari SEM ZnO dapat ditentukan dari pertumbuhan kristal ZnO seperti ilustrasi pada Gambar 8. (Wang, 2004) yang berasal dari difraktogram XRD yang terbentuk. Gambar 8. Pertumbuhan Kristal dari ZnO Pertumbuhan dari kristal ZnO dapat menunjukkan morfologi dari ZnO yang dapat berupa nanorods, nanowire, nanobelt dan sebagainya pada Gambar 9. (Wang, 2004). a) b) c) Gambar 9. Morfologi dari ZnO a) nanorods b) nanowire c) nanobelt
c. Spektroskopi UV-Visible (UV-Vis) Banyak senyawa organik dan anorganik yang dapat dianalisis secara kualitatif maupun kuantitatif dengan menggunakan spektroskopi ultra violet (200-400 nm). Kemudahaan dalam pengukuran dapat diperoleh dengan spektroskopi yang mempunyai alat pencatat. Spektra UV molekul-molekul dalam larutan relatif sederhana dibandingkan dengan daerah infra merah, hanya satu atau dua puncak, dibandingkan dengan IR yang mungkin dapat mencapai 20 atau lebih puncak yang dihasilkan. Bila molekul menyerap dalam daerah tampak dan UV, elektron valensi atau ikatan akan naik ke tingkat energi yang lebih tinggi, disertai dengan eksitasi vibrasi dan rotasi. Jarak tingkat vibrasi dan rotasi yang berdekatan dalam tingkat energi elektroniknya menyebabkan terdapat sejumlah besar kemungkinan transisi elektron dengan perbedaan tingkat energi yang kecil. Hal tersebut disertai pula dengan adanya interaksi zat terlarut-pelarut, cenderung menghasilkan pita serapan yang lebar dalam daerah UV. Molekul-molekul dengan elektron terikat lemah dapat menyerap energi dalam daerah UV. Dengan beberapa perkecualian, spektra UV dapat digunakan untuk menentukan ketidakjenuhan molekul-molekul yang menyerap (gugus kromofor), karena hanya molekul- molekul dengan ikatan rangkaplah yang mempunyai energi eksitasi yang cukup rendah yang menimbulkan penyerapan dalam daerah UV dekat. Spektroskopi UV-Vis dapat digunakan untuk mengukur absorbansi, transmitansi, dan reflektansi. Absorbansi dan reflektansi yang dihasilkan dapat digunakan dalam perhitungan band gap ZnO. Pada penelitian ini digunakan reflektani dengan persamaan Kubelka Munk untuk menentukan band gap ZnO. Spektra reflektansi dari ZnO dapat diilustrasikan pada Gambar 10, pada panjang gelombang daerah sinar ultraviolet terjadi peningkatan spektra. Hal ini membuktikan bahwa terjadi pantulan cahaya pada daerah ultraviolet (Wahyuningsih et al., 2016).
Gambar 10. Spektra Reflektansi ZnO d. Penentuan Band gap Penentuan nilai energi celah fotokatalis dilakukan dengan menggunakan spektroskopi UV-Vis yang terintegrasi dengan menggunakan persamaan berikut (Dellanay, 1984): F / (R) = K/S = (1-R) 2 / 2R...(6) dengan: F / (R) = faktor Kubelka Munk K = koefisien absorbsi S = koefisien scattering R = nilai reflektan yang diukur Kemudian dengan menghubungkan Tauc s relation (Han et al., 2012): hv = ( ( ) ) n...(7) R merupakan reflektansi mutlak dari sampel, h adalah energi foton (konstanta Planck dan frekuensi foton) dan untuk direct band gap pada semikonduktor ZnO maka n= ½ dan indirect band gap dengan n=2. Band gap optik dari ZnO dapat
diilustrasikan pada Gambar 11. dengan hubungan antara hv versus ( ( ) ) n (Malevu dan Ocaya, 2014). Gambar 11. Plot dari ( ( ) ) n Sebagai Fungsi dari Energi Foton (hv) ZnO B. Kerangka Pemikiran ZnO dapat berperan sebagai anti refleksi karena memiliki transparansi yang baik dengan nilai indeks bias 2,01. Modifikasi material ZnO menjadi nanopartikel menyebabkan rasio luas permukaan terhadap volume yang jauh lebih besar dibandingkan pada skala ruahnya. Dengan demikian, pada reaksi yang terjadi di permukaan partikel, reaksi dapat terjadi lebih intensif. Hal ini memberikan keuntungan pada perbaikan efisiensi secara umum terutama penggunaan ZnO sebagai material photovoltaic. ZnO dapat disintesis dengan metode sol gel, hidrotemal, dan pengendapan kimia basah. Sintesis ZnO dipengaruhi oleh penambahan konsentrasi basa kuat dan suhu kalsinasi. Penambahan konsentrasi basa kuat, salah satunya dengan NaOH akan mempengaruhi pertumbuhan kristal dari ZnO dikarenakan NaOH merupakan basa kuat yang pada pelarut etanol akan bereaksi dengan seng asetat membentuk ZnO sehingga akan mempengaruhi ukuran partikel yang terbentuk seperti penelitian yang telah dilakukan oleh Hu et al.,
(2003). Konsentrasi NaOH yang semakin tinggi juga akan menyebabkan kristalit yang dihasilkan semakin besar karena laju pembentukan nukleus meningkat. Pembentukan nanopartikel 1D juga lebih mungkin pada kondisi sintesis menggunakan basa keras. Selain itu, semakin tinggi ph yang digunakan atau semakin basa maka ZnO yang terbentuk juga dimungkinkan akan semakin murni. Suhu kalsinasi pada sintesis ZnO juga mempengaruhi ukuran kristal yang terbentuk. Suhu kalsinasi yang semakin besar akan menyebabkan ukuran partikel yang dihasilkan juga semakin besar seperti penelitian yang telah dilakukan oleh Ivanova et al., (2010). Semakin besar ukuran kristal ZnO dapat berpengaruh pada efisiensi konversi energi cahaya menjadi listrik pada sistem sel surya. Ukuran kristal ZnO sangat berpengaruh terhadap sifat anti refleksi. Anti refleksi coating (ARC) akan optimum apabila menghasilkan reflektansi yang rendah pada sinar tampak. Sintesi dengan metode hidrotermal diharapkan menjadi metode yang paling optimum menghasilkan ZnO sebagai ARC dikarenakan menghasilkan tingkat kristalinitas yang tinggi dan pertumbuhan kristalnya terjadi pada autoclave sehingga pertumbuhan kristal ZnO dapat terkontrol dengan baik. Namun demikian, sintesis dengan ketiga metode tersebut perlu dijalankan. C. Hipotesis Berdasarkan tinjauan pustaka dan kerangka pemikiran maka dapat diajukan hipotesis sebagai: 1. Konsentrasi NaOH pada metode sol gel yang ditambahkan pada sintesis ZnO dapat mempengaruhi pertumbuhan kristal. Semakin besar NaOH yang ditambahkan maka ukuran kristal yang terbentuk semakin besar. 2. Suhu kalsinasi pada metode sol gel dan hidrotermal mempengaruhi pertumbuhan kristal ZnO. Semakin besar suhu kalsinasi yang digunakan maka ukuran partikel yang terbentuk semakin besar. Sintesis ZnO optimum sebagai agen anti refleksi menggunakan metode hidrotermal dikarenakan pertumbuhan kristal terkontrol pada autoclave.