RESUME

Fabrikasi Dssc dengan Dye Ekstrak Jahe Merah (Zingiber Officinale Linn VarRubrum) Variasi Larutan TiO2 Nanopartikel Berfase Anatase dengan Teknik Pelapisan Spin Coating

Oleh, Vitriany Ekasari, Gatut Yudoyono

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)

Sel surya berdasarkan perkembangan teknologi saat ini dan bahan pembuatannya dapat dibedakan menjadi tiga yaitu pertama, sel surya yang terbuat dari silikon tunggal, dan silikon multi kristal. Kedua, sel surya tipe lapis tipis dan yang ketiga sel surya organik (Dye Sensitized Solar Cell). Sel surya konvensional berupa sambungan p-n junction yang terbuat dari bahan semikonduktor seperti silikon, masih mahal untuk dikembangkan karena menggunakan teknologi yang canggih. Hingga ditemukan oleh Gratzel yaitu sel surya organik, DSSC sebagai sel surya dengan dye sensitizer dari bahan organic dapat dikembangkan berbiaya murah serta fabrikasi mudah.

Pada dasarnya prinsip kerja DSSC mengkonversi energy cahaya ke listrik dalam skala molekular dalam bentuk reaksi dari transfer elektron. Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada dye akibat absorbsi foton. Dimana ini merupakan salah satu peran dari sifat TiO2. Ketika foton dari sinar matahari menimpa elektroda kerja pada DSSC, energi foton tersebut diserap oleh dye yang melekat pada permukaan TiO2. Sehingga dye mendapatkan energy untuk tereksitasi. Dye tereksitasi membawa energi dan diinjeksikan ke pita konduksi pada TiO2. TiO2 berperan sebagai sebagai akseptor atau kolektor elektron. Molekul dye yang ditinggalkan kemudian dalam keadaan teroksidasi. Selanjutkan elektron akan ditransfer melewati rangkaian luar menuju elektroda pembanding (elektroda yang mengandung lapisan karbon). Elektrolit (pasangan iodide dan triodide) yang bertindak sebagai mediator elektron sehingga dapat menghasilkan proses siklus dalam sel. Ion Triodide menangkap elektron yang berasal dari rangakaian luar dengan bantuan molekul karbon sebagai katalis. Elektron yang tereksitasi masuk kembali ke dalam sel dan dibantu oleh karbon sehingga dapat bereaksi dengan elektrolit yang menyebabkan penambahan ion iodide pada elektron. Kemudian satu ion iodide pada elektrolit mengantarkan elektron yang membawa energi menuju dye teroksidasi. Elektrolit menyediakan elektron pengganti untuk molekul dye teroksidasi. Sehingga dye kembali ke keadaan awal.

DSSC terdiri dari dye-sensitized yang terbuat dari bahan organik, lapisan TiO2 nanokristal, larutan elektrolit yang mengandung pasangan redoks I-/I3- dan substrat kaca ITO sebagai elektoda kerja. Faktor luar area dan ketebalan lapisan semikonduktor yang mengatur peningkatan beban dye, kemudian kerapatan optis yang menghasilkan efisiensi penyerapan cahaya. Kerapatan optis menyatakan ukuran transmisi suatu elemen optik dengan panjang gelombang tertentu. Jika dihubungkan dengan pemberian radiasi pada suatu objek, maka kerapatan optisnya merupakan perbandingan antara intensitas awal dan intensitas transmisi.

Skema DSSC

DSSC berbentuk struktur sandwich, dimana dua elektroda yaitu elektroda TiO2 dengan dye dan elektroda pembanding yang terbuat dari kaca ITO dilapisi karbon yang mengapit elektrolit membentuk sistem sel fotoelektrokimia. Elektroda pembanding terbuat dari kaca ITO yang dilapisi dengan karbon karena memiliki konduktivitas yang cukup dan resistansi panas dan aktivitas elektrokatalitik dari reduksi triiodide. 

            TiO2 adalah material fotokatalis yang memiliki daya oksidasi yang kuat, photostabilitas yang tinggi dan selektivitas redoks. Syarat penting untuk meningkatkan aktivitas katalis dari TiO2 adalah meningkatkan luas permukaan dari TiO2 yang bergantung pada ukuran kristalnya. 

Sifat fisis dan kimia dari TiO2 bergantung pada ukuran, morfologi dan struktur kristalnya. TiO2 memiliki tiga bentuk kristal yaitu anatase, rutile, dan brookite. Kristal TiO2 fase anatase memiliki kemampuan yang lebih aktif daripada rutile. Anatase dianggap sebagai fase yang paling menguntungkan untuk fotokatalisis dan konversi solar energi. TiO2 hanya mampu menyerap sinar ultraviolet (350-380 nm). Untuk meningkatkan serapan spektra TiO di daerah tampak, dibutuhkan lapisan zat warna yang akan menyerap cahaya tampak. Zat warna tersebut berfungsi sebagai sensitizer.

Jahe Merah termasuk rimpang umbi-umbian yang banyakterdapat di tanah Indonesia dan banyak dimanfaatkan sebagai bahan obat. Jahe Merah memiliki nama ilmiah Zingiber officinale Linn Var. rubrum. Antosianin jumlahnya 90-96% dari total senyawa fenol. Antosianin adalah bagian dari senyawa fenol yang tergolong flavonoid. Antosianin merupakan zat warna yang paling penting dan tersebar luas, pigmen memberikan warna pada tumbuhan tinggi dan mudah larut dalam air. Pigmen ini berperan terhadap timbulnya warna pada bunga, daun, dan buah. Antosianin bersifat polar sehingga dapat dilarutkan pada pelarut polar seperti etanol, aseton, dan air. Berdasarkan tingkat polaritasnya antara antosiansin sebagai zat terlarut dan air sebagai pelarut tidak seimbang. 

Ekstraksi adalah kegiatan penarikan kandungan kimia yang dapat larut sehingga terpisah dari bahan yang tidak dapat larut dalam pelarut cair. Diketahuinya senyawa aktif yang dikandung oleh suatu bahan (simplisia) akan mempermudah pemilihan pelarut dan metode ekstraksi yang tepat.

Sifat kelistrikan dapat diukur dengan menggunakan voltmeter dan amperemeter dengan variable beban. Pengukuran fill factor (FF) dan efisiensi (η) solar energy menurut persamaan dan gravik berikut ini.

                          Grafik I-V pada photovoltaic yang bekerja secara normal

Keterangan :

FF                   =  fill factor

I max              =  arus maksimun

V max             =  tegangan maksimum

Isc                  =  arus yang dihasilkan pada keadaan short circuit

V oc                =  tegangan input 

             

Proses Pembuatan

A. Preparasi TiO Nano

TiO2 Nano disintesis dengan metode kopresipitasi menggunakan bahan TiCl3 PA dari Merck 20ml, HCl PA 20 ml, NH4OH PA 40-50ml, dan aquades 50 ml. Aquades sebanyak 50 ml dimasukkan dalam gelas beker, lalu ditambahkan larutan HCl pekat 20 ml, kemudian diletakkan sambil distirer perlahan. Larutan TiCl3 20 ml dituangkan ke dalam beker gelas sedikit demi sedikit sambil distrirer. Setelah itu campuran tersebut distirer selama 30 menit. Kemudian ditambahkan larutan NH4OH sebanyak 40-50 ml diteteskan dengan pipet kaca dan distirer selama 1 jam. Setelah itu stirrer dimatikan dan campuran didiamkan selama 1 hari hingga larutan itu mengendap. Setelah terbentuk endapan barulah larutan itu dicuci dengan menggunakan aquades hingga tidak berbau lagi dan campuran berwarna putih. Setelah itu disaring dengan menggunakan kertas saring untuk mendapatkan substrat TiO2. Substrat yang diperoleh kemudian dioven dengan temperatur 400°C selama  3 jam menggunakan furnice. Butiran TiO2 yang terbentuk diuji XRD untuk mengetahui ukuran kritalnya.

B. Preparasi Elektroda Kerja

Elektroda kerja dibuat dari kaca konduktif ITO yang di atasnya dideposisikan larutan TiO2 nano dengan teknik Spin Coating. Cara membuat larutan TiO2 nano yaitu dengan mencampurkan serbuk TiO2 nano dengan larutan asam asetat dan Triton X-100. Larutan TiO2nano dibuat dengan 1 gr TiO2 nano ditambahkan 4 ml Asam asetat, distirer selama 30 menit, kemudian ditambahkan 5 tetes Triton X-100 dan distirrer kembali selama 30 menit. Digunakan dua variasi larutan yaitu larutan TiO2 yang dicampur dengan larutan dye ekstrak Jahe Merah dan tanpa dicampur dye. Untuk membuat larutan yang dicampur dye, cukup menambahkan 2 ml dye pada larutan yang dibuat tadi dan distirer selama 10 menit, agar semua tercampur merata. 

Sel berupa substrat kaca ITO dengan ukuran sel 2 × 2 cm. Larutan TiO2 yang telah disiapkan sebelumnya, diletakkan di atas permukaan kaca ITO yang tidak berselotip kemudian dilakukan teknik spin coating untuk pelapisannya di atas permukaan ITO. Agar deposisi TiO2 menjadi lebih baik, dilakukan sintering pada temperatur 200 C selama 10 menit. Kemudian didinginkan hingga mencapai temperatur ruang.

C. Preparasi Dye Jahe Merah sebagai fotosensitizer

Pewarna yang digunakan dalam penelitian ini adalah ekstrak jahe merah. Jahe merah diekstrak dengan membuat bubuk dari jahe yang telah dikeringkan, kemudian bubuk tersebut dilarutkan dengan menggunakan air. Setiap 25 gr bubuk jahe merah membutuhkan 125 ml air. Agar bahan lebih awet, maka bahan tersebut disimpan dalam lemari es dalam wadah yang rapat dan kedap udara.  Untuk menguji daya serap dari ekstrak Jahe Merah yaitu dengan menggunakan UV-VIS spektrofotometri.

D. Preparasi Larutan Elektrolit

Larutan elektrolit yang digunakan adalah pasangan redoks iodin dan Iodide (I-/I3). Senyawa dalam pembuatan larutan elektrolit ini adalah Kalium Iodida (KI) 0.5 M, Iodine 0.05 M, dan pelarut air. Prosedur awal pembuatan lrutan ini adalah mencampurkan 0.8 gram Kalium Iodide ke dalam 10 ml air, kemudian diaduk hingga rata. Selanjutnya ditambahkan 10 tetes iodine ke dalam larutan tersebut dan distirrer selama 10 menit. Simpan larutan dalam wadah yang tertutup.

E. Pembuatan Elektroda Pembanding

Elektroda pembanding dibuat dengan kaca ITO yang dilapisi karbon. Adapun cara untuk melapisi karbon pada kaca ITO yaitu dengan menggores-goreskan Pensil 8B pada bagian konduktif kaca ITO kemudian dipanaskan di atas lilin hingga terbentuk lapisan berwarna hitam seperti gambar berikut ini.

Elektroda Karbon

F. Perangkaian DSSC

Setelah masing-masing komponen DSSC tersebut siap akan dilakukan perangkaian DSSC dengan prosedur sebagi berikut:

1. Elektroda kerja yang telah disiapkan, direndam dalam larutan dye selama 1 hari untuk elektroda kerja yang menggunakan larutan TiO2 tanpa dye (sampel A). Sehingga terjadi pewarnaan pada lapisan TiO2. Sedangkan untuk larutan yang telah TiO2 yang telah dicampur dye (sampel B) cukup didiamkan saja. 

2. Setelah itu disiapkan spacer dari film plastik dengan ukuran sama dengan design di atas dan diletakkan di atas substrat TiO2. Kemudian larutan elektrolit diteteskan tepat di atas lapisan TiO2. Setelah itu diletakkan elektroda pembanding diatas substrat TiO2 yang telah diberi spacer tadi, elektroda pembanding dipasang tidak sejajar untuk memudahkan pada saat pengujian. Setelah itu klip kertas dipasang untuk menguatkan kedua elektroda tersebut.