LIGHT SCATTERING LAYER PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

Fibusi (JoF) Vol.1 No.3, Desember 2013 KARAKTERISTIK PASTA TIO 2 SUHU RENDAH DAN APLIKASI LIGHT SCATTERING LAYER PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) M. Al Qibtiya 1), L. Muliani 2), A. Suhandi 1), J. Hidayat 2) 1 Jurusan pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI) 2 Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI Jl. Sangkuriang Komp.LIPI Gd.20 Bandung mariya.al@student.upi.edu, liamuliani@gmail.com, a_bakrie@yahoo.com ABSTRAK KARAKTERISTIK PASTA TIO 2 SUHU RENDAH DAN APLIKASI LIGHT SCATTERING LAYER PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) Tulisan ini menjelaskan aplikasi pasta TiO 2 reflektor (atau elektroda kerja dengan light scattering layer) pada sel surya berbasis dye-sensitized (DSSC). Preparasi pasta dilakukan menggunakan bahan komersial yaitu pasta T-Nanooxide D- L (Solaronix) dan serbuk pasta WER2-O (Dyesiol) sebagai bahan reflektor. Bahan tersebut dianalisis struktur kristalnya. Hasil karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) menunjukan bahwa bahan TiO 2 serbuk yang digunakan adalah nanokristal dengan struktur kristal anatase. Pembuatan pasta dilakukan melalui pencampuran serbuk pasta menggunakan pelarut ethanol dan larutan HCl tanpa binder. Penambahan TiO 2 reflektor sebagai light scattering layer pada pasta dilakukan untuk melihat pengaruhnya terhadap karakteristik sel surya yang dihasilkan. Pasta ini dideposisi di atas permukaan plastik dan kaca konduktif (ITO-PET dan FTO) dengan metode doctor blade. Proses sintering lapisan TiO 2 dilakukan pada suhu 120 C selama 4 jam. Lapisan TiO 2 yang terbentuk dianalisis morfologi permukaan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM). Hasil SEM menunjukan bahwa dengan penambahan TiO 2 scattering pada pasta ukuran partikel yang lebih besar dapat teramati. Lapisan TiO 2 yang terbentuk diaplikasikan pada DSSC sebagai fotoelektroda. Pewarnaan dengan larutan N-719 (Ruthenium Complex), lapisan elektroda kerja Platina dan larutan elektrolit iodine. Karakteristik kurva I-V dengan ukuran sel daerah aktif 1 cm 2 diukur menggunakan sun simulator AM1,5 dengan sumber cahaya Xenon dan intensitas 50 mw/cm 2. Hasil pengukuran menunjukkan penambahan serbuk TiO 2 reflektor (serbuk scattering) dapat meningkatkan unjuk kerja sel surya yang dihasilkan. Karakteristik I-V yang terbaik dihasilkan oleh DSSC campuran pasta Solaronix dan bubuk TiO 2 reflektor menghasilkan efisiensi mencapai 0.166% dan pada substrat kaca mencapai efisiensi 0.167% Kata kunci : dye sensitized solar cell, Pasta TiO 2 suhu rendah, light scattering layer Penulis Penanggungjawab

2 M. Al Qibtiya, dkk. Karakterisasi pasta TiO2 suhu... ABSTRACT CHARACTERIZATION OF LOW TEMPERATURE TiO 2 PASTE AND THEIR APPLICATIONS IN LIGHT SCATTERING LAYER OF DYE SENSITIZED SOLAR CELL ( DSSC ) This paper describes the application of TiO 2 paste reflector ( or working electrode with a light scattering layer ) in dye - sensitized solar cell ( DSSC ). Preparation of paste is done using commercial materials T - Nanooxide DL ( Solaronix ) and WER2 - O powder ( Dyesiol ) as a reflector. The crystal structure of the material was analyzed. Characterization of X - Ray Diffraction ( XRD ) showed that the material used is TiO 2 nanocrystal powders with anatase crystalline structure. Making pasta is done by mixing the powder paste using ethanol solvent and HCl solution without binders. The addition of TiO 2 reflector as light scattering layer on the pasta is done to see its effect on the characteristics of the resulting solar cell. This paste is deposited on the surface of the plastic and conductive glass ( ITO - PET and FTO ) by the doctor blade method. TiO2 layer sintering process carried out at a temperature of 120 C for 4 hours. TiO 2 layer formed surface morphology was analyzed using Scanning Electron Microscopy ( SEM ). SEM results showed that the addition of TiO 2 paste scattering at larger particle sizes can be observed. TiO 2 layer formed as fotoelektroda applied in DSSC. Staining with a solution of N - 719 ( Ruthenium Complex ), a layer of platinum working electrode and electrolyte solution iodine. Characteristic IV curve with a cell size of 1 cm 2 active area was measured using a sun simulator AM1, 5 with Xenon light source and intensity of 50 mw/cm2. The measurement results show the addition of TiO 2 reflector powder ( powder scattering ) can improve the performance of solar cells are produced. IV characteristics of DSSC are best produced by a mixture of paste and powder TiO 2 Solaronix generate efficiency reflectors reach 0.166 % on plastics and 0.167% on glass substrate. Keywords : dye sensitized solar cell, low temperaure TiO 2 paste, light scattering layer Sel surya berbasis dye-sensitized (DSSC) bekerja berdasarkan photoelectrochemical, dimana proses absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan proses pemisahan muatan oleh bahan inorganik semikonduktor yaitu TiO 2. DSSC ini di pertama kali diperkenalkan oleh Gratzel pada tahun 1991 yang menjadi alternatif menarik pada perkembangan fotovoltaik karena rendahnya harga produksi, macammacam substrat yang bisa digunakan, dan ramah lingkungan dalam fabrikasinya. Titanium Dioksida (TiO 2 ) merupakan semikonduktor yang memiliki bandgap lebar dan umumnya besifat inert, non toxic, murah, dan memiliki karakteristik optik yang baik (M. Gratzel. 2003). TiO 2 banyak dibuat dalam variasi bentuk seperti serbuk nano, koloid, lapisan tipis, untuk aplikasi llingkungan dari mulai deoderization hingga purifkasi udara dan air. Pada DSSC sifat film TiO 2 bergantung dari teknik preparasi pembuatan pasta karena pasta yang baik akan mempengaruhi unjuk kerja dari DSSC. Pada DSSC fleksibel pasta TiO 2 dipreparasi untuk proses fabrikasi temperatur rendah karena sesuai dengan substrat yang digunakan, sehingga untuk aplikasinya pasta harus menggunakan bahan bahan yang cocok pada temperatur rendah. Pasta TiO 2 sudah banyak diproduksi oleh beberapa pusat penelitian seperti Solaronix dan Dyesol yang khusus meneliti solar sel. Pasta TiO 2 untuk proses fabrikasi temperatur rendah harus dikarakterisasi untuk menghindari retaknya film karena gumpalan partikel yang besar yang diakibatkan dari kehilanganya binders organik (Hashita.

Fibusi (JoF) Vol.1 No.3, Desember 2013 3 C. W, Fuzhi Huang, Yi-Bing Cheng. 2012). TiO 2 nanopartikel yang digunakan sebagai elektroda kerja pada DSSC adalah penghambur cahaya tampak yang sangat rendah, sehingga sebagian besar cahaya yang terkena DSSC bertransmisi melalui TiO 2 tanpa berinteraksi dengan dye sensitizer. Scattering layer berbagai struktur, termasuk pusat hamburan dan lapisan atas hamburan, sudah secara efektif digunakan untuk meningkatkan light harvesting (mengumpulkan cahaya) yang semua itu untuk meningkatkan efisiensi sel surya (S. Hore, C. Vetter, R. Kern, H. Smit, A. Hinsch, Sol. 2006). Sebagai fotoelektroda TiO 2 harus memiliki sifat optik yang baik dan luas permukaan yang baik untuk penyerapan dye, tingkat energi material TiO 2 harus sesuai dengan dye yang tereksitasi, memiliki mobilitas pembawa muatan yang tinggi, harus mudah disintesis, stabil, murah, dan ramah lingkungan (Zhang 2011). Karakteristik material TiO 2 seperti struktur, morfologi, serta sifat optik dan listrik sebagai material semikonduktor sangat mempengaruhi karakteristik DSSC Alur pembuatan pasta seperti pada Gambar 2. Tabel 1. Penamaan pasta TiO 2 Sampel A B Preparasi pasta TiO 2 Preparasi larutan dye Sputtering counter elektroda Platina tidak Pasta TiO 2 Solaronix TiO 2 Solaronix + reflector Preparasi Substrat Deposisi TiO 2 ke ITO Sintering TiO 2 pada pada suhu sinter 120 C Karakterisasi Film TiO 2 berhasil Absorbsi larutan dye ke lapisan TiO 2 Pembuatan struktur sandwich elektroda TiO 2 dan counter elektroda Pengisian elektrolit pada ruang antar 2 elektroda Karaktrisasi Sel surya ya DSSC tidak Gambar 2. Alur tahap pembuatan DSSC Gambar 1. Skema DSSC dengan lapisan partikel TiO 2 dan partikel reflektor METODE Preparasi Substrat pasta TiO 2 Penamaan sampel pasta TiO 2 bisa dilihat pada Tabel 1. A. Preparasi pasta TiO 2 Pasta A sudah tersedia dalam bentuk pasta TiO 2 maka preparasi pasta pada pasta B dilakukan dengan melalui pencampuran serbuk pasta menggunakan pelarut ethanol dan larutan HCl tanpa binder.

4 M. Al Qibtiya, dkk. Karakterisasi pasta TiO2 suhu... B. Larutan dye Jenis dye yang dipakai adalah jenis ruthenium complex Ruthenizer 535- bistba atau yang biasa dikenal N719 memiliki lebar band-gap semikonduktor oksida yang kepekaanya sangat efisien, seperti titanium dioksida, sampai dengan panjang gelombang 750 nm. C. Preparasi counter elektroda platina Platina yang digunakan sebagai target dimasukan kedalam chamber sputtering yang setelah itu divakum kemudian dimasukan gas argon, ion argon menumbuk platina sehingga target mengeluarkan atom atom yang akan menuju ke substrat ITO-PET konduktif. Chamber sputtering disiapkan dengan sistem sputtering tekanan dasar 4,4 x 10-3 torr dan tekanan gas argon 4 x 10-3 torr dengan daya 50 watt, waktu sputtering 20 menit. D. Proses Assembly DSSC Substrat plastik ITO-PET dipotong dengan ukuran 2 x 2 cm dicuci menggunkan aquades dan isopropanol (IPA) kemudian dibentuk tempat untuk deposisi TiO 2 dengan bantuan Scotch tape pada bagian konduktifnya sehingga terbentuk area sebesar 1 x 1 cm kemudian pasta TiO 2 dideposisikan di atas daerah yang telah dibuat pada plastik konduktif dengan metode doctor blade yang kemudian dipanaskan dengan suhu sinter 120 C kemudian direndam dengan larutan dye selama 24 jam. Gambar 3. Proses pewarnaan dengan larutan dye Counter elektroda platina kemudian diletakan di atas lapisan TiO 2 dengan struktur sandwich dan larutan elektrolit kemudian diteteskan kira-kira sebanyak 2 tetes kepada ruang antara kedua elektroda dan sel surya siap untuk dikarakterisasi. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Analisis struktur kristal TiO 2 Kurva karakteristik XRD ditunjukan pada Gambar 4. yang menunjukan TiO 2 memiliki fase kristal anatase sesuai dengan Joint Commitee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) no 21-1272. Gambar 4. Pola XRD pasta TiO 2 reflektor dan TiO 2 soalronix Dari Gambar 4. dapat diamati terdapatnya puncak-puncak yang bersesuaian untuk fase anatase pada ketiga sampel, yaitu pada sudut 2θ di sekitar 25, 37, 48, 54, 62. Puncakpuncak tersebut bersesuaian dengan orientasi kristal pada (101), (104), (200), (105), (204). Puncak tertinggi dimiliki oleh bidang orientasi (101) yang akan diukur besar kristal dari hasil XRD masing-masing sampel. Ukuran kristal dapat dihitung secara kuantitatif menggunakan metode Scheerer melalui persamaan (Han. H, Zan. L, Zhong. J, Zhang. L, Zhao. X. 2004) ( Abdullah. M, 2009).. (1)

Fibusi (JoF) Vol.1 No.3, Desember 2013 5 Dengan k adalah konstanta sebesar 0,89; λ adalah panjang gelombang sumber sinar-x; dan β adalah lebar penuh setengah tinggi maksimum puncak difraksi (dalam satuan radian). Nilai β yang digunakan adalah nilai puncak anatase pada orientasi bidang (101) dan didapatkan hasil ukuran kristal yang diperlihatkan pada Tabel 2. Table 2 Data perhitungan ukuran kristal TiO 2 k ( ( ) (rad) 2 D (nm) 0,89 0,76 0,01326 0,974 10,92 0,89 0,16 0,00279 25,295 12,647 0,976 53,14 Dari Tabel diatas dapat diamati ukuran kristal Solaronix lebih kecil dan ukuran paling besar dimiliki oleh TiO 2 Reflektor. hal ini merupakan hasil yang positif karena diharapkan dengan ukuran kristal yang semakin kecil menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil pula yang baik untuk diaplikasikan sebagai material DSSC (Timuda. G. E, Maddu. A, Irmansyah, Widiyatmoko. B. 2010). TiO 2 yang digunakan cocok untuk diaplikasikan pada DSSC karena mempunyai fasa kristal anatase yang mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi. 2. Karakteristik morfologi lapisan TiO 2 Citra SEM dapat dilihat dari Gambar 5. yang merupakan gambar dari deposisi film TiO 2 pasta A dan pasta B dapat diamati bahwa secara umum partikel yang dihasilkan memiliki morfologi mesoporous (berpori) dan berada pada ukuran skala nanometer. (c) Gambar 5. Figure SEM hasil deposisi TiO 2 (a) pasta A; (b) pasta B (Retnaningsih. L, Muliani. L,.Wiranto. G. 2013); (c) campuran pasta A dan pasta B Sampel A jenis Solaronix memiliki ukuran partikel sangat kecil mencapai >100 nm terlihat pada gambar distribusi ini mengakibatkan terjadinya aglomerasi (gumpalan) dan dapat teramati adanya bongkahan-bongkahan besar yang merupakan hasil penggumpalan. Ukuran partikel yang kecil umumnya lebih tidak stabil dibanding partikel yang lebih besar oleh karenanya kemungkinan terjadinya gumpalan satu sama lain juga tinggi, distribusi ukuran partikel tampak tidak seragam pada Gambar 5.(a) yang diakibatkan terjadinya penggumpalan dan juga butiran-butiran kecil yang teramati secara bersamaan. Penambahan TiO 2 reflektor sebagai penghambur cahaya dapat dilihat morfologi yang ditunjukan pada gambar 5.(c). Perbedaan fisik sangat terlihat dari butiran sampel B dibandingkan dengan sampel B. Gambar 5. (c) menunjukan ukuran partikel dari campuran sampel A dengan TiO 2 reflektor, ukuran partikel terlihat lebih besar ini membuktikan bahwa TiO 2 reflektor merupakan pasta dengan ukuran partikel yang besar. Hal ini membuktikan bahwa ukuran partikel TiO 2 reflektor lebih besar dibanding ukuran partikel sampel A. Dari Gambar 7 yang memperlihatkan keadaan morfologi TiO 2 reflektor dengan pembesaran 40000x tampak jelas ukuran partikel yang berukuran besar. Dengan penambahan TiO 2 reflektor mengakibatkan cahaya yang datang ke dyes menjadi terhambur sehingga daya serap dyes semakin banyak. (a) (b) 3. Karakterisasi I-V Hasil karakterisasi I-V dilakukan untuk mengetahui sifat listrik dari DSSC yang telah siap diuji. Saat cahaya yang membawa energi foton mengenai DSSC, akan ada

6 M. Al Qibtiya, dkk. Karakterisasi pasta TiO2 suhu... elektron dari dye yang mendesak elektron dari TiO 2 tereksitasi dari pita konduksi ke pita valensi dan menuju elektroda kerja sehingga tercipta arus dalam DSSC, kemudian mengalir diluar rangkaian kemudian diukur tegangan dan arus menggunakan sun simulator. penambahan TiO 2 reflektor efisiensi naik menjadi 0,166%. Sedangkan kenaikan kurva juga terjadi pada DSSC dengan substrat kaca (gambar 6.b) efisiensi yang dihasilkan pasta A 0.074% dan setelah penambahan TiO 2 reflektor naik mencapai 0.167%. Dengan menggunakan TiO 2 Reflektor sebagai scattering layer yang akan menghamburkan cahaya yang datang ke permukaan dyes hal ini akan mempengaruhi daya serap dari dyes sehingga dyes yang terserap akan lebih banyak menyerap sinar matahari, yang mengakibatkan banyaknya elektron yang akan berdifusi pada TiO 2 Tabel 3. Hasil pengukuran I-V (a) Sampel Voc (V) Isc (ma) Pm (W) Fill Factor Efisien si (%) plastic A 0,326 0,17 1,98 x 10 5 0,349 0,037 B 0,570 0,3 8,18 x 10 5 0,475 0,166 Glass A 0,489 0,13 3,64 x 10 5 0,56 0,074 B 0,509 0,3 8,23 x 10 5 0,564 0,167 (b) Gambar 6. Kurva I-V DSSC yang dibuat (a) dengan substrat plastik dan (b) substrat kaca Kurva I-V menggunakan pasta A pada substrat plastik (gambar 6.a) menunjukan bentuk yang cenderung lurus tidak eksponensial, namun dengan penambahan TiO 2 reflektor maka kurva yang dihasilkan lebih baik dan mengikuti karakterisasi sel surya. Perbedaan konversi efisiensi menggunakan pasta juga ditunjukan pada tabel 3. dengan penambahan TiO 2 reflektor sebagai lapisan penghambur ternyata menaikan arus dan tegangan yang lebih baik, dan otomatis menaikan efisiensi. Dengan menggunakan pasta sampel A didapatkan efisiensi sebesar 0,037% dan dengan KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa hasil karakterisasi XRD terhadap bahan TiO 2 yang membuktikan bahwa pasta ini mempunyai fase anatase ukuran kristalit yang cocok untuk apliaksi pada DSSC. Karakterisasi morfologi lapisan TiO 2 juga dilakukan dengan Scaning Electron Microscopy SEM yang menyatakan keadaan morfologi dari film menyatakan partikel secara umum adalah mesoporos dengan ukuran partikel TiO 2 reflektor yang terbukti besar sebagai lapisan pengambur cahaya. Hasil karakterisasi I- V menghasilkan efisiensi B lebih besar dari pasta A. Setelah penambahan TiO 2 ferlektor menjadi kebalikanya hal ini membuktikan bahwa dengan penambahan dari TiO 2 reflektor tipe WER2-O sebagai penghalang cahaya dapat menaikan efisiensi DSSC. Tidak adanya informasi tentang sifat optik dari

Fibusi (JoF) Vol.1 No.3, Desember 2013 7 pasta TiO 2 dan untuk megoptimalkan komposisi campuran pasta TiO 2 reflektor dengan TiO 2 nanopartikel menjadi penelitian yang harus ditelitit lebih lanjut untuk DSSC dengan performa yang lebih baik. DAFTAR PUSTAKA Yulianto, B. (2011). Solar Cell Sumber Energi Terbarukan Masa Depan. diambil dari Artikel ESDM website: http/www.esdm.go.id/berita/artikel/ 56-artikel/4034-solar-cell-sumberenergiterbarukan-masa-depan-.html M. Gratzel. (2003). Dye-sensitized solar cell Journal of Photochemistry and Photobiology C,4, 145. Hashita. C. W, Fuzhi Huang, Yi-Bing Cheng. (2012). Fabrication of Flexible Dye Sensitized Solar Cells on Plastic Substrates. Journal Nano Energy, 2, 174-189. S. Hore, C. Vetter, R. Kern, H. Smit, A. Hinsch, Sol. (2006). Influence of scattering layers on efficiency of dye-sensitized solar cells. Solar Energy Material and Solar Cells, 90, 1176-1188. Wei Zhang (2011). Fabrication of Dye Sensitized Solar Cells with Enhanced Energy Conversion Efficiency. Thesis of M.Sci, National University of Singapore. Sonokimia. Prosiding Pertemuan Ilmiah, XXIV, 104-109. Retnaningsih. L, Muliani. L,.Wiranto. G. (2013). Characterization of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) which used TiO 2 Scattering Layer. Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi. Han. H, Zan. L, Zhong. J, Zhang. L, Zhao. X. (2004). The Preparation of High-Surface-Area Nanocrystalline TiO 2 Films Using Easy-Reggregration Particles in Solution. Material Science and Engineering B, 110, 227-232. Abdullah. M, (2009). Pengantar Nanosains. Penerbit ITB: Bandung. Timuda. G. E, Maddu. A, Irmansyah, Widiyatmoko. B. (2010). Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO 2 untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode