BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sel Surya Organik Sel Surya atau photovoltaic (PV) cell pertama kali dikemukakan pada tahun 1950 dan pertama kali dikomersialkan pada tahun 1960. Penelitian tentang sel surya pun berkembang pesat untuk mendapatkan efesiensi serta ketahanan yang tinggi untuk sel surya tersebut. Akan tetapi, harga sel surya anorganik masih lebih mahal dibandingkan dengan sumber energi listrik lainnya. Oleh sebab itu, penelitian tentang sel surya dilanjutkan dengan menggunakan bahan yang lebih murah seperti material organik dan polimer (Savenije, 2012). Penemuan tentang material organik yang memiliki sifat konduktor serta semikonduktor memungkinkan diterapkan pada alat optoelektronika seperti sel surya. Keuntungan utama menggunakan material organik adalah kemampuan untuk membuat photovoltaic menggunakan teknik pemecahan fasa (solution phase) seperti spin coating, blending, printing sehingga proses pembuatannya pun relatif lebih mudah dibandingkan dengan material inorganik. Selain itu, material semikonduktor organik memiliki koefisien absorbsi yang sangat tinggi sehingga lapisan tipis dapat digunakan dalam proses pembuatannya. (Wright & Uddin, 2012). Kebanyakan semikonduktor organik adalah konduktor hole dan memiliki optical band gap sekitar 2 ev. Nilai yang dimiliki tersebut lebih besar dibandingkan dengan silikon dan batas pengumpulan spektrum solar menjadi lebih lebar. (Hoppe & Sariciftci, 2004) Perbedaan antara sel surya organik (SSO) dengan sel surya anorganik pada mekanisme pembangkit pembawa muatannya (charge carrier). Penyerapan cahaya pada sel surya anorganik memiliki hasil langsung dalam formasi pembawa muatan bebas (free charge carrier). Maksudnya, muatan dibentuk sepanjang bulk pada semikonduktor. Sebaliknya, penyerapan cahaya pada sel surya organik (SSO) sebagian besar memiliki hasil produksi dari kondisi pembentukan yang aktif dibandingkan dengan pembawa muatan yang bebas. Hal ini terjadi bisa 5
6 disebabkan oleh dua hal berikut. Pertama, konstanta dielektrik pada material organik biasanya lebih lemah dibandingkan material semikonduktor inorganik. Hal ini menyebabkan terbentuknya tarikan potensial coulomb di sekeliling muatan. Ke dua, interaksi antar molekul material elektronik nonkovalen lebih lemah dibandingkan dengan interaksi antar molekul pada semikonduktor inorganic seperti pada silika (Savenije, 2012). Proses sel surya organik melalui tiga tahapan, pertama absorpsi cahaya (energi foton) dari matahari. Ke dua, terjadinya pemisahan muatan hole dan elektron pada permukaan antara donor-akseptor serta yang ke tiga aliran dari kedua muatan tersebut terjadi di dalam bahan organik (bulk) ke kedua elektroda. Untuk mendapatkan hasil efisiensi yang tinggi pada pengubahan energi foton menjadi arus listrik elektron dan hole tidak boleh terjadi rekombinasi (bersatu) sebelum dialirkan ke rangkaian eksternal. Untuk mengurangi proses rekombinasi elektron-hole, maka elektron dan hole ditransportasikan (dibawa) oleh bahan yang yang berbeda. Sebagai contoh untuk piranti donor-akseptor, maka material akseptor mempunyai sifat konduktivitas elektron yang baik. Sebaliknya untuk bahan donor mempunyai konduktivitas hole yang baik. Oleh karena itu bahan organik yang mudah menghasilkan pasangan elektron-hole dan bahan organik mobilitas muatan yang tinggi adalah merupakan faktor yang penting dalam menentukan besarnya efisiensi sel surya bahan organik (Nurosyid & Kusumandari, 2010). Proses terjadinya diilustrasikan seperti pada Gambar 2.1. Ketika foton terserap oleh material donor terbentuklah exciton. Gambar 2.1. Skema diagram transfer muatan pada donor elektron (Wright & Uddin, 2012)
7 Pemisahannya dapat terjadi pada permukaan donor akseptor (D A). Pada waktu pemisahan, elektron dapat berpindah ke material akseptor pada permukaan dan berpindah ke katoda untuk pengumpulan muatan. Hole dihasilkan pada material donor bergerak sepanjang polimer dan dikumpulkan pada anoda. Ketika cahaya terserap oleh material akseptor. Exciton terbentuk yang mana harus dipisahkan oleh offsets (penyeimbang) dalam energi yang terbentuk dari donor tingkat HOMO (Highest occupied Molecular orbital) dan akseptor valensi pita pinggir (band edge). kemudian hole ditransfer ke donor pada permukaan dan dialirkan ke anoda selagi elektron tertinggal di material akseptor dan kemudian bergerak ke katoda untuk pengumpulan (Wright and Uddin, 2012). Proses ini dilustrasikan seperti Gambar 2.2. Gambar 2.2. Skema diagram transfer muatan pada akseptor elektron (Wright & Uddin, 2012) Generasi pertama sel surya organik berdasarkan lapisan organik tunggal (single organic layers) yang diselipkan diantara dua logam elektroda dengan fungsi kerja yang berbeda (Wohrle & Meissner, 1991). Selanjutnya menggunakan konsep bilayer heterojunction yang mana menggunakan dua lapisan material organik dengan elektron yang spesifik atau sifat pembawa hole yang diselipkan diantara elektroda. Heterojunction merupakan junction yang terbentuk antara dua semikonduktor yang berbeda materialnya. Heterojunction dibedakan menjadi dua yaitu, isotype dan anisotype. Isotype apabila dua semikonduktor tersebut memiliki tipe konduktivitas yang sama. Anisotype kebalikan dari isotype yaitu ketika dua semikonduktornya memiliki konduktivitas yang berbeda (Sze & Ng, 2007). Pada
8 sel surya organik terdapat dua semikonduktor organik yang berbeda. Semikonduktor aktif tersebut yaitu, material donor dan material akseptor. Antara kedua material tersebut terbentuk gaya elektrostatik yang ditimbulkan oleh perbedaan afinitas elektron serta potensial ionisasi. Medan listrik akan timbul apabila salah satu material memiliki afinitas elektron dan potensial ionisasi lebih besar dibandingkan material lainnya. Medan listrik inilah yang nantinya akan emis\ahkan pasangan electron-hole. Pemisahan electron-hole pada sel surya heterojunction ini lebih effisien dibandingkan dengan pemisahan sel surya organik homojunction. Heterojunction pada sel surya organik terdiri dari dua material yaitu donor dan akseptor. Material donor pada sel surya organik ini biasanya berupa polimer konjugasi, oligomer atau pigmen konjugasi. Untuk akseptor biasanya menggunakan turunan dari fullerene. Material tersebut diklasifikasikan dalam organik semikonduktor (Scharber & Sariciftci, 2013). Pada Gambar 2.3 merupakan klasifikasi sebagian material organik semikonduktor. Pada (a) Gambar 2.3 merupakan material yang cocok sebagai donor dan pada (b) Gambar 2.3 merupakan material yang bertindak sebagai akseptor. (a) Gambar 2.3. Material organik semikonduktor sebagai donor (a), Material organik semikonduktor sebagai akseptor (b) (Nelson, 2011) (b)
9 Metode heterojunction ini secara umum dibagi menjadi dua yaitu, pertama menggunakan bilayer, kedua menggunakan bulk atau campuran. Pada metode bilayer atau sering disebut bilayer heterojunction ini material donor dan akseptor ditumpuk. Sedangkan pada metode bulk, material donor dan akseptor dicampur (Jotter & Jobin, 2012). Perbedaan struktur antara bilayer dan bulk heterojunction dapat diilustrasikan pada Gambar 2.4. (a) Gambar 2.4. Struktur Bilayer Heterojunction (a), Struktur Bulk Heterojunction (b). (Deboisblanc, 2010) (b) Metode bulk heterojunction digunakan secara luas pada lapisan photoactive. Menurut Gupta et.al., (2012) pencampuran antara donor dan akseptor pada lapisan aktif ini menghasilkan efisiensi yang tinggi serta menggunakan proses yang murah sehingga metode bulk heterojunction lebih unggul dibandingkan dengan metode bilayer. Donor akseptor bisa disiapkan dengan memecahkan donor (dissolving donor) dan komponen akseptor pada pelarut yang sama. Jadi, material donor dan material akseptor dicampur dalam tempat serta pelarut yang sama sehingga terbentuk lapisan tipis yang tidak mudah larut (insoluble) (Gunes et al., 2007). Ketika penggabungan material donor (tipe-p) dan akseptor (tipe-n) yang harus diperhartikan adalah ketika exciton terbentuk pada tiap material akankah ia mampu menyebar ke antar muka (interface) untuk pemisahan muatan dalam waktu yang singkat dan jarak yang pendek yaitu kurang dari 10 nm. Hasil dari pencampuran antara dua semikonduktor organik aktif ini ketika menyerap cahaya maka exciton terbentuk. Exciton harus menyebar ke arah antar muka pembawa
10 muatan pembangkit muatan tejadi. Panjang penyebaran exciton pada material organic sangat kecil sektar 10 nm bahkan kurang dari itu. Oleh karena itu, untuk efisiensi pembangkit muatan setelah cahaya terserap, tiap exciton harus segera menemukan antar muka donor-akseptor dengan jarak beberapa nm. Jika tidak maka exciton akan hilang tanpa menghasilkan muatan (Rene, no date). 2.2. Material Sel Surya Organik Pembuatan sel surya organik menggunakan bahan semikonduktor organik yaitu P3HT (poly (3-hexylthiophene)) dan PCBM ([6, 6]-phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester). P3HT berfungsi sebagai material donor dan PCBM berfungsi sebagai material akseptor. Elektroda yang digunakan adalah glass FTO sebagai anoda dan alumunium sebagai katoda. Selain itu, lapisan tipis sel surya organik menggunakan larutan PEDOT:PSS yang berfungsi sebagai penyangga agar tidak terjadi arus singkat pada sel surya organik ketika arus mengalir. 2.2.1 Poly 3-Hexylthiophene (P3HT) Semikonduktor polimer poly (3-hexylthiophene) atau sering disebut P3HT memiliki kriteria yang cocok sebagai material donor dan bertindak sebagai tipe -p. Poly(3-hexylthiophene) memiliki berat molekul 65,5 gram/mol dan mobilitas hole yang tinggi sebesar 3,8 ~ 3,9 x 10-4 cm 2 /Vs (Yani, 2011) serta memiliki HOMO sebesar 3 ev (Chotimah dkk., 2012). P3HT ini memiliki struktur seperti Gambar 2.5. Gambar 2.5. Struktur P3HT (Zhao et.al., 2009) P3HT memiliki keunggulan yaitu struktur region-reguler (RR) dimana polimer ini mampu menghasilkan konduktivitas listrik yang tinggi dan dapat larut dalam pelarut organik biasa. Hal ini menyebabkan P3HT dapat dibentuk berupa
11 lapisan tipis dengan menggunakan teknik sederhana seperti spin-coating, dipcoating, inkjet printing dan roll-to-roll printing (Bahtiar dkk., 2011). 2.2.2. Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester (PCBM) PCBM atau phenyl-c61-butyric acid methyl ester merupakan turunan dari fullerene. PCBM biasanya digunakan sebagai material akseptor pada sel surya organik. PCBM merupakan akseptor yang baik dan mudah dilarutkan dalam bahan pelarut organik biasa. Hal ini menyebabkan PCBM menjadi material yang sering digunakan dalam bahan aktif sel surya dibandingkan material turunan fullerene lainnya (Chotimah dkk., 2012). PCBM memiliki struktur dari seperti pada Gambar 2. 6. Gambar 2.6. Struktur phenyl-c61-butyric acid methyl ester (PCBM) (Thompson & Frechet, 2008) PCBM memiliki rumus molekul C 72 H 72 O 2 serta berat molekul 910,88 g/mol dan memiliki HOMO (High Occupied Molecular Orbital) sebesar 4 ev. Hampir sama seperti P3HT, PCBM memiliki struktur RR (region-reguler) dimana mampu menghasilkan koduktivitas listrik yang tingi serta mudah larut dalam pelarut organik biasa (Bahtiar dkk., 2011). 2.2.3. Elektroda Elektroda pada sel surya terdapat dua bagian yaitu anoda dan katoda. Material yang digunakan sebagai elektroda harus memiliki fungsi kerja rendah untuk pengumpul elektron dan fungsi tinggi untuk pengumpul hole. Kaca FTO (fluorine tin oxyde) dalam hal ini digunakan sebagai anoda dan alumunium sebagai katoda.
12 Kaca FTO (fluorine tin oxyde) merupakan salah satu material yang paling sering digunakan sebagai anoda. Hal ini dikarenakan FTO memiliki stabilitas yang tinggi dan harganya lebih murah dibandingkan dengan kaca ITO (indium thin oxyde) selain itu, kaca FTO memiliki transmitansi tinggi khusunya pada cahaya tampak yaitu sekitar 80 85% tergantung pada ketebalannya dan nilai resistivitasnya dapat mencapai 2 x 10-4 2 (Chen, 2010). Alumunium digunakan sebagai katoda. Alumunium ini memiliki fungsi kerja sekitar 4,3 ev. Bahan ini dipilih karena mempunyai selisih level fermi yang tinggi dan dapat bertindak sebagai pengumpul elektron serta hole yang baik. 2.2.4. PEDOT:PSS Struktur sel surya organik pada anoda dan katoda sering terjadi hubungan singkat sehingga perlu bahan lain untuk mencegah arus singkat pada sel surya organik. PEDOT:PSS merupakan suatu bahan yang berfungsi sebagai pencegah hubungan singkat tersebut. PEDOT:PSS dibuat dengan mendoping material PEDOT (Poly (3,4- Ethylenedioxythiophene)) dengan PSS (Poly (4-Styrene Sulfonate)). Hal ini menyebabkan konduktivitas gabungan dua bahan meningkat serta memiliki absorbsi pada gelombang cahaya tampak (Aba dkk., 2012). PEDOT:PSS banyak digunakan pada divais optoelektronika seperti pelapis pada lapisan ITO (indium thin oxyde). Fungsi PEDOT:PSS selain pencegah hubungan singkat adalah untuk mengurangi tingkat kekasaran ITO dan mencegah oksigen dari ITO bedifusi ke bahan aktif pada sel surya organik sehingga umur sel surya pun meningkat dan menjadi lebih lama (Ilmawati, 2009) 2.3. Metode Fabrikasi 2.3.1 Spin Coating Metode spin coating merupakan suatu metode untuk pembuatan lapisan tipis. Pembuatan lapisan tipis dilakukan dengan cara menyebarkan larutan ke atas substrat, kemudian substrat tersebut diputar dengan kecepatan tertentu sehingga diperoleh endapan pada substrat berupa lapisan tipis.
13 Prinsip kerja dari spin coating ini adalah ketika larutan dituangkan pada substrat yang diletakkan diatas alat spin coater. Proses spin coating dilakukan dengan cara memutar alat coater dengan kecepatan tinggi (rpm) dalam waktu yang diinginkan. Semakin cepat putaran dan semakin lama waktu pemutaran maka lapisan tipis yang diperoleh semakin tipis dan semakin homogen (Purwanto dan Prajitno, 2013). Proses spin coating diilustrasikan seperti pada Gambar 2.7. Gambar 2.7. Proses spin coating (Hellstrom, 2007) Proses spin coating ini memiliki tiga tahapan dasar yaitu, tahap penetesan cairan (dispense), tahap percepatan spin coating dan tahap pengeringan. Penjelasan tahapan-tahapan pada spin coating sebagai berikut. 1. Tahap penetesan air (dispense) Pada tahapan ini larutan yang akan dibuat lapisan tipis dideposisikan pada substrat kemudian diputar dengan kecepatan tinggi. Setelah itu, lapisan akan dikeringkan supaya pelarut pada larutan tersebut menguap. Proses ini dibagi menjadi dua yaitu, static dispense merupakan proses diposisi sederhana yang dilakukan pada larutan diatas pusat substrat dan dynamic dispense proses diposisi dengan kecepatan putar yang rendah <500 rpm. 2. Tahap Percepatan Spin Coating. Setelah tahap penetesan cairan, larutan dipercepat dengan kecepatan yang relatif tinggi. Kecepatan yang digunakan pada substrat ini akan mengakibatkan adanya gaya sentrifugal dan turbulensi cairan. Kecepatan serta lama waktu tergantung pada sifat cairan terhadap substrat yang digunakan.
14 3. Tahap Pengeringan. Pada tahap ini terbentuk lapisan tipis murni dengan suatu ketebalan tetentu. Tingkat ketebalan lapisan yang terbentuk bergantung pada tingkat kelembaban dasar substrat. Adanya kelembaban yang kecil menyebabkan ketebalan lapisan murni yang terbentuk akan menjadi semakin besar 2.4 Karakterisasi Sel Surya Organik 2.4.2 Karakteristik Optik Bahan aktif pada sel surya organik ini akan diuji kemampuan optiknya dalam hal absorbansinya terhadap cahaya. Uji optik ini dilakukan dengan menggunakan perangkat Spektrofotometri UV-Vis. Spektrofotometri UV-Vis adalah suatu piranti yang menggunakan dua sumber cahaya yaitu ultraviolet dengan panjang gelombang 190 380 nm dan cahaya tampak yang memiliki panjang gelombang 380 780 nm. Prinsip dari Spektrofotometri UV-Vis menganut hukum Lambert. Hukum Lambert menyatakan bahwasannya berkas cahaya yang melewati suatu bahan akan bersifat sebagai gelombang yang menyebabkan tiga hal yaitu absorbansi, refleksi dan transmisi. Hukum Lambert hanya berlaku jika material atau bahan yang digunakan tidak bereaksi baik secara kimiawi maupun fisis akibat berkas cahaya yang dipancarkan. Hukum Lambert menyatakan bahwa absorbansi suatu material terhadap cahaya tidak bergantung pada intensitasnya. Intensitas cahaya yang diabsorbsi oleh material tersebut dapat ditulis dalam persamaan berikut: I T (2.4) I 0 Selain hukum Lambert berlaku juga hukum Beer yang menyatakan bahwa absorbansi cahaya berbanding lurus dengan konsentrasi dan ketebalan media yang dinyatakan dalam persamaan: I A log( ) log( T ) I Sehingga diperoleh persamaan : 0 dc (2.5)
A T 10 10 I I 0 dc leh menggunakan persamaan (2.6) (2.6) 1 log dc I I 0 1 log( T) dc (2.7) dengan: A = absorbansi = koefisien absorbansi T = trasmitansi I o = daya cahaya datang (W.m -2 ) I = daya cahaya keluar (W.m -2 ) c = kosentrasi molar (mol. l -1 ) d = tebal media (m) Estimasi energi gap dilakukan dengan menggunakan metode tauc. Penentuan energi gap dilakukan dengan cara melakukan ekstrapolasi dari grafik hubungan ( ) sebagai absis dan ( ) 2 sebagai ordinat hingga memotong sumbu energi yaitu seperti pada Gambar 2.8. h merupakan konstanta planck sebesar 6,63x10-34 -8 m/s Gambar 2.8. Penentuan energi gap TiO 2 menggunakan metode Touc Plot (Bilalodin, 2012)
2.4.1 Karakterisasi Sifat Listrik Sel surya akan menghasilkan daya listrik ketika terpapar cahaya sehingga menghasilkan arus serta tegangan. Besarnya arus serta tegangan yang dihasilkan sel surya ini dapat direkam menggunakan perangkat keithley. Keithley akan merekam tiap perubahan tegangan serta arus yang dihasilkan oleh sel surya tersebut dan akan diolah menjadi grafik kurva arus tegangan (I-V). Grafik kurva arus tegangan dapat digambarkan pada Gambar 2.8. Pada Gambar 2.8 tersebut terdapat tegangan open circuit (V oc ), arus short circuit (I sc ) dan MPP atau maximum power point. Pada MPP terdapat arus serta tegangan yang disebut dengan I mpp dan V mpp. V oc atau tegangan open circuit terjadi pada saat nilai arus nol begitu juga sebaliknya, I sc atau arus short circuit terjadi pada saat tegangannya nol. Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP). Gambar 2.9. Bentuk khusus dari kurva I-V solar cell (Benanti & Venkataraman, 2006)
17 Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF). Fill factor (FF) yaitu perbandingan daya maksimum terhadap arus kontak dan tegangan rangkaian terbuka sehingga persamaannya dapat ditulis sebagai berikut: (2.1) Dari persamaan fill factor tersebut dapat diperoleh daya maksimum yang dihasilkan oleh sel surya sebesar: (2.2) Sehingga effisiensi dari sel surya pun dapat diketahui. Efisiensi daya sel digambarkan sebagai perbandingan daya maksimum yang dihasilkan (P max ) terhadap daya yang diterima (P in ) dalam hal daya yang diterima berasal dari cahaya yang datang. (2.3) Nilai efisiensi ini yang menjadi ukuran global dalam menentukan kualitas performansi sel surya.