BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC) Perkembangan sel surya atau photovoltaic menjadi penelitian yang dikembangkan pemanfaatannya sebagai salah satu penghasil energi. Salah satu penelitian yang banyak dilakukan adalah sel surya berbasis zat warna atau dyesensitized solar cells (DSSC). DSSC banyak dikembangkan setelah penelitian yang dilaku yang menghasilkan efisiensi sel surya yang lebih besar dari penelitian pada sel surya Silicon dan Polimer (Gretzel &. Penelitian mengenai DSSC ini menarik perhatian industri dan peneliti. DSSC banyak dipilih untuk dikembangkan karena material bahan yang digunakan murah, memiliki stabilitas yang tinggi, metode yang efektif untuk mengkonversi energi surya, dantidak memerlukan instrumen lain untuk mengkonversi energi seperti generator. Kelebihan dari sel surya jenis DSSC ini dapat di fabrikasi dalam substrat yang kaku maupun fleksibel. Secara umum komponen yang terdapat pada DSSC terdiri dari lapisan dye, lapisan TiO 2, bahan elektrolit dan elektroda lawan. Pada penelitian yang telah menghasilkan efisiensi konversi energi ( ) mencapai 12 %. Bahan yang digunakan dalam penelitian yang dilakukan oleh G TiO 2 nanoparticles (Francis et al., 2010). Lapisan TiO 2 merupakan lapisan yang penting dalam sel surya DSSC. Lapisan TiO 2 merupakan lapisan yang berfungsi sebagai penyerap molekul dari dye dan berperan penting dalam menghasilkan elektron, karena memiliki area penyerapan yang luas. Daya guna dari sel surya dipengaruhi oleh parameter morfologi dan sifat optik dari lapisan TiO 2 nanoparticles. Lapisan morfologi dari TiO 2 menentukan kuantitas dari molekul dye yang diserap melalui permukaan TiO 2. Selain itu, Kecepatan transpor elektron pada DSSC mempengaruhi efisiensi yang diperoleh (Wang et al., 2013). 5
6 Gambar 2.1 Struktur dari Dye-sensitized solar cells (DSSC) (Yulika et al., 2014) 2.2. Prinsip Kerja dari DSSC Prinsip kerja DSSC dengan memanfaatkan foton untuk menghasilkan arus listrik. Arus listrik dihasilkan melalui elektron yang bergerak bebas pada pita konduksi. Sedangkan elektron dalam keadaan terikat disebut dengan pita valensi. Prinsip kerja pada sel photovoltaic jika foton dengan energi tertentu ( ) mengenai dye, maka elektron ( pada dye akan berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron yang berpindah akan meninggalkan hole ( ) pada pita valensi (Smestad and Gratzel, 1998). Pada sel surya DSSC terdapat dua bagian penting sebagai tempat terjadinya interaksi foton dan elektron, yaitu dye dan TiO 2. Prinsip kerja DSSC secara umum ketika foton mengenai permukaan dari sel surya, foton diserap oleh dye. Dye kemudian menghasilkan exciton. Exciton merupakan pasangan hole dan elektron. Elektron akan berpindah dari pita valensi material semikonduktor ke pita konduksi. Sehingga menyebabkan elektron bebas bergerak. elektron kemudian bergerak menuju bahan semikonduktor. Dalam sel surya bahan semikonduktor yang banyak digunakan adalah TiO 2. Elektron kemudian akan berdifusi ke rangkaian beban luar untuk menghasilkan listrik. Elektron dengan energi yang lemah kemudian mengalir ke bagian katalis berupa elektroda lawan. Dengan bantuan katalis elektron akan dialirkan menuju elektrolit untuk berinteraksi dengan triodide ( ) dan berubah menjadi Iodide( ).
7 Iodide akan bergerak menuju bagian dye dan membawa elektron pada keadaan awal. 2.3. Substrat Fluorine Doped Tin Oxide (FTO) Material substrat pada sel surya berfungsi sebagai tempat penumbuhan lapisan. Material substrat pada sel surya bersifat kondutif dan transparan. Substrat yang biasa digunakan adalah Transparant Conductive Oxide (TCO) dengan jenis Fluorine-Doped Tin Oxide (FTO) atau Indium Tin Oxide (Yamaguchi et al., 2007). Kelebihan dari TCO yang dapat mentransmisi radiasi matahari ke daerah aktif dengan tanpa adanya pelemahan sinar yang diterima oleh sel surya. FTO lebih stabil terhadap suhu tinggi dan memiliki sifat transparan optis dan konduktivitas listrik yang baik (Abdullah et al, 2014). 2.4. Titanium Dioxide (TiO 2 ) Titanium dioksida (TiO 2 ) berperan sebagai anoda pada yang biasanya ditumbuhkan di atas substrat FTO (Yella et al., 2011). TiO 2 juga merupakan lapisan penting dalam DSSC, karena berperan sebagai lapisan aktif. Lapisan aktif berfungsi sebagai fotokatalis dalam sel surya. Sebagai partikel TiO 2 memiliki 3 susunan kristal diantaranya anatase, rutile, dan brookite. Dari ketiga fase kristal TiO 2 hanya anatase dan rutile memiliki sifat fotokatalis yang baik. Fase kristal yang memiliki sifat fotokatalis yang baik akan berpengaruh pada proses transfer elektron pada DSSC. Sehingga akan meningkatkan efisiensi sel surya (Hastuti, 2011). Sifat fotokatalis pada TiO 2 dipengaruhi oleh morfologi, luas permukaan, kristanilitas dan ukuran partikel. Dari ketiga susunan kristal pada TiO 2, yang sering digunakan adalah fase kristal anatase. Sebagai lapisan yang berfungsi sebagai fotokatalis, banyak penelitian dilakukan untuk memodifikasi TiO 2 agar dapat meningkatkan banyaknya intensitas cahaya yang diserap. Salah satunya dengan memebentuk fase kristal anatase pada TiO 2 (Hu et al., 2014).
8 2.5. Dye Sensitizer Dye sensitizer merupakan bahan pewarna baik berupa dari pewarna anorganik ataupun pewarna organik dari tumbuhan yang mengandung antosianin, kolrofil, dan xantofil. Pewarna ini yang akan dieksitasi oleh foton dan kemudian akan disalurkan ke bagian semikonduktor. Adanya proses fotosintesis telah membuktikan bahwa tumbuhan tersebut mengandung senyawa yang dapat digunakan sebagai dye (Wang, 2008). Sebagai contohnya adalah kandungan klorofil atau zat warna pada tumbuhan. Klorofil banyak terdapat pada tumbuhan hijau. Senyawa ini yang berperan dalam proses fotosintesis pada tumbuhan. Dimana klorofil menyerap cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi. Pigmen klorofil menyerap cahaya biru dan merah, dan pigmen karotenoid dan fikobilin dapat meningkatkan penyerapan spektrum hijau, biru, dan kuning. Sifat atraktif pigmen fotosintetik kemudian diaplikasikan sebagai sensitizer dalam solar cell (Nygren, 2010). 2.6. Elektrolit Komponen elektrolit pada sel surya berupa pasangan reduksi dan oksidasi. Elektrolit yang umum digunakan memiliki fasa cair. Pasangan redoks memiliki fungsi sebagai penyalur elektron hasil dari elektron pada dye yang tereksitasi melewati bahan semikonduktor kemudian akan diteruskan ke elektroda lawan. Pasangan redoks pada elektrolit yang digunakan pada DSSC. terdiri dari iodine ( ) dan triodide ( ). Pasangan redoks pada elektrolit memiliki sifat konduktivitas ion yang tinggi pada temperatur konstan, memiliki kestabilan yang tinggi, dan memiliki sifat tidak mudah menguap (inert) terhadap bahan atau komponen lain pada material DSSC (Gratzel, 2003). 2.7. Elektroda Lawan Elektroda lawan merupakan salah satu bagian penting dalam dye-sensitized solar cells. Elektroda lawan berfungsi sebagai katalis. Elektron yang lemah setelah menghasilkan energi listrik ke bagian rangkaian eksternal akan dibantu oleh katalis biasanya berupa karbon untuk berinteraksi dengan elektrolit. Reaksi
9 pada elektroda lawan biasanya bergantung pada susunan redoks yang digunakan untuk menyalurkan elektron antara anoda dan elektroda lawan. Pasangan redoks yang digunakan pada DSSC adalah I - /I - 3. I - 3 dihasilkan melalui pembangkitan oleh dye tereduksi pada elektroda lawan oleh reaksi sebagai berikut : I - 3 + 2e - 3I - Material dari elektroda lawan disesuaikan dengan tujuan aplikasi dari DSSC. Material elektroda lawan harus memenuhi standar yang digunakan untuk DSSC, seperti bahan dengan proses katalis yang tinggi, memiliki kestabilan pada elektrolit (Thomas et al., 2013). Beberapa material logam banyak digunakan. Harga logam mulia cukup tinggi, sehingga banyak digunakan alternatif material lain seperti karbon, konduksi polimer, dan logam transisi telah banyak digunakan dan dikembangkan sebagai pengganti. Penelitian yang dilakukan oleh Gretzel juga mengembangkan susunan DSSC menggunakan elektroda lawan (counter electrode). Salah satu elektroda lawan yang digunakan oleh Gretzel adalah karbon. Karbon memiliki luas permukaan yang tinggi, juga aktif dalam mereduksi triiodide pada pasangan redoks (Kumara, 2012). 2.8. Metode Pelapisan TiO 2 : Electrospinning Nanofibers Nanofibers atau serat nanomemiliki kelebihan karena memiliki permukaan yang luas berupa rasio volume. Nanofiber banyak digunakan diberbagai aplikasi karena memiliki sifat yang memiliki daya serap yang tinggi. Metode yang tepat untuk menghasilkan nanofiberdari larutan polimer dengan produktivitas yang tinggi dengan menggunakan electrospinning. Kelebihan metode electrospinning adalah harga yang komparatif murah dan memiliki rata-rata area produksi yang relatif tinggi. Aplikasi dari pembuatan fiber dengan menggunakan metode electrospinning digunakan diberbagai bidang, seperti di bidang energi pada solar cells dan fuel cells. Hampir semua larutan polimer dengan berat molekul tertentu dapat dielectrospinning (Ramakrishna, 2005). Prinsip kerja dari electrospinning ditunjukkan pada Gambar 2.2.
10 Gambar 2.2 Prinsip dasar dari electrospinning (LPPT, Universitas Gajah Mada) Komponen alat electrospinning terdiri dari voltage source untuk menghasilkan tegangan tinggi. Tegangan yang digunakan antara 5-20 kv. Besar tegangan tersebut akan mampu menarik larutan polimer yang diletakkan pada komponen berupa syringe dengan needle yang digunakan sebesar 0,5 mm. Bagian needle akan dihubungkan pada teganganpositif. Larutan akan ditarik pada komponen collector yang dihubungkan pada tegangannegatif, sebagai tempat untuk meletakkan substrat berupa FTO. Komponen tip to collector distancesettingyang digunakan untuk mengatur jarak dari needle ke collector (Petrik et al., 2009). 2.9. Atomic Force Microscopy Atomic force microscopy (AFM) merupakan alat yang digunakan untuk melihat benda atau partikel berukuran nano. Secara spesifik AFM dapat digunakan untuk menganalisa struktur, permukaan, dan ukuran dari suatu partikel dengan ukuran <100 nm. Komponen penting pada AFM yang digunakan sebagai pemindai sampel adalah tip atau probe, yang dilengkapi penyangga atau cantilever yang biasanya berupa silicon (Kumar et al., 2005). Prinsip kerja dari AFM bekerja dengan memindai permukaan dari sebuah bahan atau sampel dengan probe. Bagian probe akan melengkung apabila mengenai permukaan sampel yang berbeda ketinggian. Kelunggulan dari AFM
11 dengan alat scanning microscope lainnya adalah AFM mampu menampilkan data dengan bentuk tiga dimensi. AFM dapat mengukur permukaan dengan luas maksimum pengamatan pada sampel adalah 150x150 micrometer (Seo & Jhe, 2007). 2.10. Spektrofotometer UV-Vis Spektrofotometer UV-Vis merupakan alat untuk menganalisa kandungan bahan organik dan anorganik pada sebuah sampel, dengan menggunakan prinsip absorbsi radiasi gelombang elektromagnetik oleh bahan untuk panjang gelombang sinar UV sampai dengan sinar tampak. Cahaya tampak berada pada rentang panjang gelombang antara 400-700 nanometer. Ketika cahaya mengenai material, cahaya akan diserap oleh material, elektron pada tingkat valensi akan berpindah ke energi yang lebih tinggi yaitu pada keadaan eksitasi dari keadaan normalnya. Spektrofotometer UV-Vis terdiri dari spektrometer dan fotometer. Spektrofotometer mengasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang tertentu. Fotometer merupakan alat untuk mengukur intensitas cahaya yang ditransmisikan atau diserap (Kustrin& Morton, 2012). 2.11. X-Ray Diffraction Difraksi sinar X (X-Ray Difraction/XRD) merupakan metode untuk mengidentifikasi fasa kristal dalam material dengan cara menentukan parameter dari sebuah struktur kristal. Difraksi sinar-x terjadi pada hamburan foton-foton sinar-x oleh atom dalam sebuah kisi periodik pada sebuah sampel. Pancaran sinar-x dalam fasa tersebut memberikan interferensi konstruktif. Sedangkan yang lain berinterferensi destruktif. Dasar yang digunakan pada XRD untuk mengidentifikasi struktur kristal adalah persamaan Bragg, yang ditunjukkan sebagai berikut : (2.1) Dimana adalah panjang gelombang sinar-x, d merupakan jarak antara dua bidang kisi. adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal. Sedangkan n
12 adalah bilangan untuk orde (urutan) pembiasan. Prinsip dasar dari metode XRD berdasarkan hukum Bragg. Jika seberkas sinar-x dijatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal akan membiaskan sinar-x. Panjang gelombang dari sinar-x yang dibiaskan sama dengan jarak antar kisi dalam sampel kristal. Sinar yang dibiaskan kemudian ditangkap oleh detektor yang kemudian dianalisa sebagai puncak difraksi. Tiap puncak yang muncul pada XRD merupakan satu bidang kristal. Puncak-puncak difraksi yang muncul dapat diketahui dengan mencocokkan besar intensitas pada standar difraksi dengan data dari Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) (Birkholz, 2006). 2.12. Karakteristik I-V Meter Sel Surya Karakterisasi dari sel surya dapat diketahui dengan menganalisa variabelvariabel yang terukur melalui pengukuran pada tiap sel. Grafik sel surya akan menunjukkan hubungan antara tegangan dan arus yang terukur. Grafik yang diperoleh berupa grafik sifat dioda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.Parameter pada sel surya dapat diperoleh dari analisa terhadap kurva I-V, seperti yang ditunjukkan pada gambar, arus short-circuit (Isc) yang merupakan arus saat tegangan nol, tegangan open-circuit (Voc) yang merupakan tegangan saat arus nol, daya maksimum (Pmax), fill factor (FF) merupakan area yang dikenai cahaya atau intensitas, dan efisiensi konversi daya ( ). Variabel-variabel tersebut akan digunakan untuk menghitung nilai efisiensi dari sel surya. Efisiensi diperoleh dengan membandingkan daya yang masuk (Pin) dan daya keluaran (Pout) (Wright, 2012). Persamaan untuk menghitung efisiensi ditunjukkan sebagai berikut : (2.2)
13 Gambar 2.3 Kurva I-V untuk sel surya (Setiadi, 2013)