BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Ketersediaan energi matahari di muka bumi sangat besar yakni mencapai 3x10 24 J/tahun atau sekitar 10.000 kali lebih banyak dari energi yang dibutuhkan makhluk hidup secara global (Grätzel, 2001). Cahaya matahari menjadi salah satu sumber energi listrik yang potensial karena keberadaannya yang melimpah di muka bumi serta dapat digunakan secara bebas. Sejak Edmond Becquerel menemukan efek fotoelektrik tahun 1839, para peneliti mulai terinspirasi untuk melakukan konversi cahaya matahari menjadi energi listrik. Efek fotoelektrik ini diaplikasikan pada sel fotovoltaik atau sel surya. Sel surya adalah alat yang dapat mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik. Terdapat banyak macam dan jenis sel surya seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1. Sel surya tersensitisasi zat warna atau Dye-sensitized solar cell (DSSC) adalah salah satu jenis sel surya yang banyak diteliti oleh para ilmuwan. Meskipun efisiensi masih jauh dibanding sel surya konvensional yang menggunakan silikon (Tabel 1), namun DSSC memiliki beberapa kelebihan dibanding sel surya jenis lain yaitu biaya produksi jauh lebih rendah dan pembuatannya lebih sederhana dibanding sel surya konvensional dari silikon kristalin. Sel surya tipe DSSC mulai menarik banyak perhatian sejak O Regan dan Grätzel mempublikasikan DSSC hasil penelitiannya yang mempunyai efisiensi 11% (O Regan dan Grätzel, 1991). Sel surya tersensitisasi zat warna yang dibuat oleh O Regan dan Grätzel tersebut menggunakan TiO 2 ukuran nano dengan porositas tinggi sebagai semikonduktor, yang kemudian dideposisikan pada kaca konduktif transparan FTO (fluorine doped tin oxide (SnO 2.F)). TiO 2 hanya menyerap sebagian kecil radiasi matahari, yaitu pada daerah UV, maka ditambahkan kompleks zat warna rutenium polypyridil pada permukaan TiO 2 sebagai fotosensitiser yang dapat memperlebar serapan radiasi matahari hingga daerah visibel, agar reaksi pada sel surya dapat terus berlangsung maka digunakan pasangan elektrolit redok I - /I - 3 dalam pelarut organik. 1
2 Tabel 1.1 Performa Sel Surya Fotovoltaik dan Sel Surya Fotoelektrokimia* Tipe sel *(Grätzel, 2001) Efisiensi (%) Sel Modul Riset dan teknologi yang dibutuhkan Silikon kristalin 24 10-15 Memperbesar hasil, menurunkan biaya produksi dan kapasitas energi Silikon multikristalin 18 9-12 Menurunkan biaya produksi dan pembuatan yang rumit Silikon amorf 13 7 Menurunkan biaya produksi, meningkatkan volume produksi dan kestabilan CuInSe 2 19 12 Mengganti Indium, mengganti CdS, memperbesar skala produksi Material nano tersensitisasi zat warna (DSSC) Sel fotoelektrokimia bipolar AlGaAs/Si 10-11 7 Meningkatkan efisiensi dan kestabilan terhadap temperature tinggi, memperbesar skala produksi 19-20 - Mengurangi biaya bahan, memperbesar skala produksi Sel surya organik 2-3 - Meningkatkan efisiensi dan kestabilan Zat warna merupakan komponen penting DSSC yang bertindak sebagai penyerap foton cahaya tampak atau sensitiser sehingga semikonduktor TiO 2 yang hanya bekerja pada daerah UV dapat bekerja pada daerah cahaya tampak. Sensitiser anorganik berupa zat warna kompleks logam transisi sintetis dilaporkan mempunyai stabilitas yang baik, contohnya kompleks rutenium polipiridil, osmium, logam porfirin (Kong et al, 2007). Sebagai sensitiser, zat warna kompleks ruthenium polipiridil mempunyai beberapa kelebihan yaitu serapan yang kuat pada panjang gelombang sinar tampak, waktu eksitasi yang lama, dan transfer muatan yang efisien dari logam ke ligan (Grätzel, 2003). Meskipun sudah terbukti efektif, tetapi tingginya biaya produksi (>$1000/g), keterbatasan bahan, dan efek samping yang ditimbulkan pada lingkungan menjadi hambatan ketika akan diimplementasikan dalam skala besar. Para peneliti kemudian mulai melakukan kajian penggunaan senyawa organik sebagai zat warna sensitiser yang lebih murah, mudah diperoleh dan diproduksi, serta ramah lingkungan. Senyawa organik, baik pigmen alami tumbuhan maupun zat warna sintetis organik, mempunyai keunggulan nilai koefisien ekstingsi molar yang tinggi sehingga akan
3 meningkatkan absorbansi terhadap cahaya matahari, selain itu efisiensi sel menggunakan senyawa organik sebagai sensitiser dilaporkan telah mencapai 9,8% (Zhang et al., 2009). Zat warna yang digunakan adalah senyawa organik kromofor sintetis dengan sepasang ikatan π terkonjugasi. Selain senyawa organik sintetis, senyawa organik dari alam juga dapat digunakan sebagai sensitiser pada DSSC. Pigmen alami tumbuhan seperti klorofil, karoten, dan antosianin yang diekstrak dari daun, bunga, buah maupun kulitnya dilaporkan dapat digunakan sebagai sensitiser pada DSSC (Zhou et al., 2011). Wang et a.l (2007), melakukan penelitian menggunakan klorofilin yang diisolasi dari rumput laut jenis Undaria pinnatifida untuk digunakan sebagai sensitiser pada DSSC dan efisiensi yang dihasilkan mencapai 4,6%. Sehingga berdasarkan penelitian Wang et al., diketahui bahwa klorofil mempunyai potensi sebagai sensitiser pada DSSC. Klorofil adalah salah satu pigmen tumbuhan berwarna hijau yang banyak ditemukan pada daun. Tumbuhan berdaun hijau, misalnya daun bayam, diketahui mempunyai banyak kandungan klorofil baik klorofil a maupun klorofil b. Pada tumbuhan, klorofil termasuk pigmen fotosintesis yang berfungsi menyerap cahaya matahari kemudian mentransfer energi eksitasinya pada pusat reaksi, dimana terjadi pembentukan ATP dan penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen (Bernardi dan Grossman, 2013). Fenomena ini dipelajari oleh Tribuchst dan Calvin (1971) yang pada akhirnya menyimpulkan bahwa klorofil dapat digunakan untuk mensensitisasi semikonduktor ZnO. Foton berhasil diubah menjadi arus listrik ketika elektron yang tereksitasi pada zat warna diinjeksikan pada semikonduktor celah pita lebar. Peristiwa klorofil yang mensensitisasi dan mengaktifkan semikonduktor sering dianalogikan dengan fotosintesis buatan. Struktur klorofil terdiri dari cincin porfirin yang bersifat polar dan rantai alkil panjang yang bersifat nonpolar. Matsumura et al. (1980) menyatakan ikatan yang terjadi antara zat warna dan semikonduktor dapat meningkatkan adsorpsi dan mempermudah injeksi elektron menuju semikonduktor karena overlap orbital molekul yang semakin kuat. Tidak seperti kompleks rutenium bipiridil yang mempunyai gugus karboksilat yang dapat dipakai untuk berikatan dengan TiO 2, klorofil tidak mempunyai gugus untuk dipakai berikatan. Peneltian Tribucsht dan
4 Calvin (1972) menggunakan klorofil a tanpa dimodifikasi untuk mensensitisasi semikonduktor ZnO menghasilkan arus sebesar 10-7 A/cm 2. Tidak terbentuknya ikatan antara sensitiser dan semikonduktor dapat menjadi salah satu sebab kecilnya arus yang dihasilkan karena kurang efektifnya transfer elektron dari klorofil ke semikonduktor. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan modifikasi dengan menghidrolisis gugus phytil ester pada struktur klorofil sehingga terbentuk klorofilin yang mempunyai gugus karboksilat pada strukturnya (Kay dan Grätzel, 1993). Gugus karboksilat ini yang akan berikatan dengan TiO 2 sehingga dapat berfungsi sebagai jembatan untuk injeksi elektron dan mengoptimalkan adsorpsi klorofilin pada permukaan TiO 2. Efisiensi DSSC ditentukan oleh kemampuan zat warna dalam mengabsorp energi cahaya matahari untuk kemudian dikonversi menjadi energi listrik. Peristiwa fotosintesis alami mempunyai efisiensi konversi energi mencapai hampir 100%. Proses tersebut dilakukan oleh photosystem I (PSI) dan photosystem II (PSII) yang dihubungkan oleh transport elektron di tengah kedua sistem membentuk rangkaian pola zigzag (Liu et al., 2008). Akibat dari efek saling sinergis antara interaksi PSI dan PSII pada proses fotosintesis adalah kuantum efisiensinya mendekati 100% Berdasarkan fenomena rangkaian zigzag dengan efisiensi yang sangat tinggi tersebut, maka pada penelitian ini dibuat model DSSC menggunakan sensitiser yang terdiri dari dua pigmen fotosintesis yang terko-sensitisasi secara sinergis demi memperoleh transfer energi yang efisien. Xantofil dan klorofil adalah dua pigmen penting fotosintesis, mempunyai transfer energi yang efisien antara keduanya. Xantofil dan klorofil dapat mengalami eksitasi elektron secara serempak ketika terkena cahaya tampak dan transfer elektron dapat dilakukan oleh kedua pigmen (Liu et al., 2008). Maka pada penelitian ini, dibuat model DSSC menggunakan dua pigmen yaitu klorofil termodifikasi dan xantofil untuk menggantikan peran PSI dan PSII.
5 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Melakukan blending zat warna klorofilin dan xantofil untuk megetahui serapan zat warna hasil pencampurannya. 2. Mengetahui karakter sensitisasi zat warna klorofilin, xantofil, dan hasil pencampurannya pada permukaan TiO 2. 3. Menentukan aktivitas elektrokimia sensitiser ko-sensitisasi klorofilin dan xantofil serta zat warna tunggalnya pada lapis tipis TiO 2 P25 dan fotoaktivitasnya pada sistem DSSC. 1.3 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Memberikan informasi mengenai ekstraksi klorofil dan derivatisasinya serta ekstraksi xantofil. 2. Menambah khasanah keilmuan tentang sel surya yang menggunakan sensitiser terdiri dari kombinasi zat warna alam yang lebih ekonomis dan dapat diperbaharui.