EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU …...i EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU (Hibiscus rosa sinensis L) SEBAGAI FOTOSENSITIZER PADA SEL SURYA

i

EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU (Hibiscus rosa sinensis L) SEBAGAI FOTOSENSITIZER PADA SEL SURYA

BERBASIS TITANIUM DIOKSIDA (TiO2)

Disusun oleh:

NOOR ASHFIA ROSYIDA

M 0207007

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Januari, 2012

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi dengan judul :

Ekstrak Antocyanin Bunga Sepatu (Hibiscus Rosa Sinensis L) Sebagai Fotosensitizer Pada Sel Surya Berbasis Titanium Dioksida (TiO2)

Yang ditulis oleh :

Nama : Noor Ashfia Rosyida

Nim : M0207007

Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada

Hari : Senin

Tanggal : 16 Januari 2012

Dewan Penguji :

1. Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D ................................

NIP. 19680508 199702 1 001

2. Sorja Koesuma, S.Si, M.Si ...............................

NIP. 19720801 200003 1 001

3. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc, Ph.D ...............................

NIP. 19610223 198601 1 001

4. Drs. Harjana, M.Si, Ph.D ...............................

NIP. 19590725 198601 1 001

Disahkan oleh:

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Ketua Jurusan Fisika


commit to user

iii

Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D NIP. 19680508 199702 1 001

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual saya yang berjudul

“EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU (Hibiscus rosa sinensis L)

SEBAGAI FOTOSENSITIZER PADA SEL SURYA BERBASIS TITANIUM

DIOKSIDA (TiO2)” adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan

sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi materi yang telah

dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk

mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan

Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan

segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan

terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus

memberitahu penulis.

Surakarta, 3 Januari 2012

NOOR ASHFIA ROSYIDA


commit to user

iv


commit to user


commit to user

iv

EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU (Hibiscus rosa sinensis L)

SEBAGAI FOTOSENSITIZER PADA SEL SURYA BERBASIS TITANIUM

DIOKSIDA (TiO2)

Noor Ashfia Rosyida

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret

Ekstrak antocyanin bunga sepatu (Hibiscus rosa sinensis L) sebagai

fotosensitizer pada sampel sel surya berbasis TiO2 telah dibuat. Pengujian UV –

VIS menunjukkan ekstrak antocyanin yang dihasilkan memiliki kemampuan

serapan di daerah cahaya tampak. Bubuk TiO2 pada penelitian ini dibuat dengan

metode sol-gel dengan suhu kalsinasi 600°C dan dikarakterisasi menggunakan

XRD dan XRF. Hasil XRD menunjukkan fase kristal bubuk TiO2 yang dihasilkan

adalah anatase-rutile dengan ukuran partikel kristal 9,58 nm. Hasil XRF

menunjukan kandungan bubuk TiO2 yang dibuat 98,67 wt%. Lapisan TiO2 dibuat

dengan metode slip casting dengan ketebalan yang berbeda. Hasil SEM dari

lapisan TiO2 menunjukkan ukuran dari rerata rongga (0,62 ± 0,04) μm. Sampel sel

surya yang dibuat memiliki luas 2 cm2 direndam dengan dye antocyanin selama

24 jam. Sel – sel ini diuji dengan 2 pengujian, yaitu menggunakan rangkaian dan

menggunakan Keithley. Dimana pengujian menggunakan rangkaian pada

ketebalan lapisan TiO2 (4,8 ± 0,3) μm sel surya memiliki efisiensi paling tinggi

yaitu 2,5 x 10-4

%. Sementara pengujian pada efisiensi paling tinggi dengan

menggunakan Keithley system source 2602A dihasilkan oleh sel surya dengan

lapisan TiO2 pada ketebalan (4,7 ± 0,3) μm, yaitu sebesar 3,0 x 10-3

%.

Kata kunci : sel surya TiO2 tersensitisasi dye, dye alami, lapisan TiO2


commit to user

v

ANTOCYANIN EXTRACT OF HIBISCUS (Hibiscus rosa sinensis L)

AS A PHOTOSENSITIZER ON SOLAR CELLS BASED ON TITANIUM

DIOXIDE (TiO2)

Noor Ashfia Rosyida

Department of Physics, Faculty of Science

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Antocyanin extract of hibiscus (Hibiscus rosa sinensis L) as a photosensitizer in

TiO2 dye sensitized solar cells based on TiO2 sample have been made. Testing by

UV - VIS showed that antocyanin extract has the absorption ability in the visible

region. TiO2 powder in this reasearch was prepared by sol-gel method with

calcination temperature of 600 °C and characterized using XRD and XRF. XRD

results showed that TiO2 powder crystal phase is anatase-rutile with the particle

size of crystal of 9,58 nm. The characterization of TiO2 powder using XRF

showed the number of TiO2 content of 98,67 wt%. TiO2 layer prepared by slip

casting method with different thickness. SEM results of TiO2 layers showed the

average cavity size of (0,62 ± 0,04) μm. Samples of solar cells made a 2 cm2 area

with dye antocyanin soaked for 24 hours. These samples were tested with two test

, circuit test and Keithley test. Where testing using the circuit, in TiO2 layer

thickness of (4,8 ± 0,3) μm solar cells have the highest efficiency of 2,5 x 10-4

%.

While testing using Keithley system source 2602A at a thickness of TiO2 layer (4,7

± 0,3) μm, produces solar cells with a efficiency of 3,0 x 10-3

%.

Key words : TiO2 dye sensitized solar sel, organic dye, TiO2 layer


commit to user

vi

MOTTO

Allah-lah yang menundukkan laut untukmu agar kapal – kapal

dapat berlayar di atasnya dengan perintah-Nya, dan agar kamu

dapat mencari sebagian karunia-Nya, dan agar kamu bersyukur.

(QS. Al-Jasiyah:12)

Tidak semua yang kita perhitungkan itu dapat dihitung, dan tidak

semua yang kita hitung itu tidak dapat diperhitungkan.

(Albert Einstein)

PERSEMBAHAN

Dengan rahmat Allah SWT,

karya bersampul biru ini kupersembahkan kepada:

1. Mami dan bapakku, yang senantiasa mendoakanku, atas

kepercayaan serta cinta kasih yang tiada surut untuk

ananda.

2. Suamiku , Hafidz Arif Purwanto yang setahun ini menemaniku

mengeja warna pelangi, antara langit JAWA – PAPUA.

3. Adikku tercinta, Vathoni Zida Ulhax yang dengan unik selalu

memberiku semangat.

4. Almamater yang kubanggakan, UNS, izinkan aku memeluk

pelangi dengan namamu.


commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah Subhanahu wa Ta’ala atas karunia dan hidayah –

Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini untuk memenuhi

sebagian persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Fisika

FMIPA, Universitas Sebelas Maret surakarta.

Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan,

pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis

menyampaikan terimakasih kepada :

1. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D selaku Pembimbing Akademik dan

Pembimbing I yang telah banyak memberikan hal – hal yang tidak terduga.

Semoga Allah membalas kebaikan beliau.

2. Drs. Harjana, M.Sc., Ph.D selaku Pembimbing II yang telah memberikan

kemudahan dan motivasi serta saran dalam penyelesaian skripsi.

3. Latifa dan Khoiruddin, terimakasih atas diskusi dan motivasinya. Merry

Yuliani, Peny Rizky Riandini dan Sheptya Pritta Murni semoga persahabatan

ini kekal abadi.

4. Keluarga baru di Solo, terimakasih atas segala kasih sayang, dan do’anya.

5. Angkatan 2007 atas kebersamaanya, serta seluruh rakyat Fisika FMIPA UNS

mari terus berkarya untuk Indonesia tercinta.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan.Untuk

itu penulis mengharap kritik dan saran yang membangun demi hasil yang lebih

baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan in dapat bermanfaat dan memberi

tambahan ilmu bagi pembaca.

Surakarta, 3 Januari 2012

Noor Ashfia Rosyida


commit to user

viii

DAFTAR ISI

halaman

HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................... iii

HALAMAN ABSTRAK ............................................................................... iv

HALAMAN ABSTRACT ............................................................................. v

HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN .......................................... vi

KATA PENGANTAR ................................................................................... vii

DAFTAR ISI .................................................................................................. viii

DAFTAR TABEL .......................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xii

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xiv

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................ 1

1.1. Latar Belakang Masalah ........................................................ 1

1.2. Perumusan Masalah................................................................ 4

1.3. Batasan Masalah ..................................................................... 4

1.4. Tujuan Penelitian ................................................................... 5

1.5. Manfaat Penelitian ................................................................. 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................. 6

2.1. Energi Surya .......................................................................... 6

2.2. Sel Surya ............................................................................... 7

2.2.1. Umum ....................................................................... 7

2.2.2. Prinsip Kerja Sel Surya ............................................. 8

2.2.3. Performa Sel Surya ................................................... 10

2.3. DSSC (Dye Sesitized Solar Cell) .......................................... 11

2.3.1. Umum ........................................................................ 11

2.3.2. Perkembangan DSSC ................................................. 11

2.3.3. Prinsip Kerja DSSC .................................................. 13

2.3.4. Material DSSC .......................................................... 15


commit to user

ix

2.3.4.1. Substrat ....................................................... 15

2.3.4.2. Titanium Dioxide (TiO2) ............................. 15

2.3.4.3. Dye .............................................................. 18

2.3.4. 3.1. Antocyanin .......................................... 18

2.3.4.4 Elektrolit ...................................................... 19

2.3.5. Fabrikasi DSSC ........................................................ 19

2.4. X-Ray Difraction (XRD) ...................................................... 20

2.5. X-Ray Fluorescense (XRF) .................................................. 23

2.6. Scanning Electron Microschopy (SEM) .............................. 23

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................... 24

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................... 24

3.2. Alat dan Bahan ...................................................................... 24

3.2.1. Alat penelitian ........................................................... 24

3.2.2. Bahan Penelitian ....................................................... 25

3.3. Diagram Penelitian ................................................................ 26

3.3.1. Persiapan .................................................................... 26

3.3.2.Pembuatan Bubuk TiO2 dengan Metode Sol Gel ....... 27

3.3.2.1. Karakterisasi Kandungan Bubuk TiO2 ............... 28

3.3.2.2. Karakterisasi Struktur Kristal Bubuk TiO2 ........ 29

3.3.3. Ekstraksi Dye Antocyanin Bunga Sepatu .................. 29

3.3.3.1.Karakterisasi Absorbansi Ekstrak Bunga Sepatu 30

3.3.4. Pembuatan Lapisan TiO2 ........................................... 31

3.3.4.1. Pembuatan Pasta TiO2 ......................................... 31

3.3.4.2. Pembuatan Lapisan TiO2 ..................................... 31

3.3.4.3. Karakterisasi Morfologi Lapisan TiO2 ................ 33

3.3.4.4. Perhitungan Ketebalan Lapisan TiO2 .................. 33

3.3.4.5. Karakterisasi Absorbansi Lapisan TiO2 dan Dye 34

3.3.5. Pembuatan Counter Elektroda .................................. 34

3.3.6. Fabrikasi DSSC ......................................................... 35

3.3.7.Pengujian Karakteristik I-V dan Efisiensi DSSC ....... 36

3.3.7.1. Pengujian dengan Rangkaian ............................. 37


commit to user

x

3.3.7.2. Pengujian dengan Keithley ............................... 38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................. 39

4.1. Analisis Bubuk TiO2 dengan XRF ......................................... 39

4.2. Analisis Bubuk TiO2 dengan XRD ....................................... 40

4.3. Analisis Lapisan TiO2 dengan SEM ....................................... 44

4.4. Karakterisasi Absorbansi Ekstrak Bunga Sepatu ................... 40

4.5. Karakterisasi Absorbansi Lapisan TiO2 dan Dye ................... 45

4.7. Karakterisasi I-V Pada Sistem Sel Surya ............................... 46

4.6.1. Karakterisasi I-V dengan Rangkaian .............................. 46

4.6.2. Karakterisasi I-V dengan Keithley .................................... 49

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................... 55

5.1. Kesimpulan ............................................................................ 55

5.2. Saran....................................................................................... 55

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 57

LAMPIRAN-LAMPIRAN ........................................................................... 60


commit to user

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1. Potensi Sumber Energi Baru Terbarukan..............................................1

Tabel 4.1. Kandungan Bubuk TiO2 Dengan Suhu Kalsinasi 600°C......................40

Tabel 4.2. Hasil Pengukuran Arus-Tegangan Sistem Sel Surya Berbasis ............48

Sensitizer Ekstrak Antocynin Bunga Sepatu dengan Rangkaian.

Tabel 4.3. Hasil Pengukuran Arus-Tegangan Sistem Sel Surya Berbasis ............53

Sensitizer Ekstrak Antocynin Bunga Sepatu dengan Keithley.


commit to user

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Perbandingan Spektra Energi Radiasi Sebagai Fungsi Panjang

Gelombang dari Matahari untuk Kondisi Tepat di Atas Atmosfer

Bumi, BlackBody, dan Pada Permukaan

Bumi ...............................................................................................7

Gambar 2.2. Struktur Sel Surya Silikon Sambungan p-n ...................................... 8

Gambar 2.3. Cara Kerja Sel Surya Silikon ............................................................ 9

Gambar 2.4. Bentuk Khusus dari Kurva I-V Solar Cell ...................................... 10

Gambar 2.5. Struktur dan Komponen DSSC....................................................... 13

Gambar 2.6. Skema Kerja dari DSSC................................................................. 14

Gambar 2.7. Struktur Kristal TiO2 Anatase........................................................ 16

Gambar 2.8. Struktur Kristal TiO2 Rutile............................................................ 16

Gambar 2.9. Posisi Pita Energi Semikonduktor................................................... 17

Gambar 2.10. Struktur Kimia Antocyanin........................................................... 19

Gambar 2.11. Struktur DSSC Menggunakan TCO.............................................. 20

Gambar 2.12. Struktur Sandwich DSSC.............................................................. 20

Gambar 2.13. Difraksi Sinar-X Pada Kristal........................................................ 21

Gambar 2.14. Prinsip Pengukuran dengan XRF.................................................. 22

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian.................................................................. 26

Gambar 3.2. Alat dan Bahan Pembuatan TiO2 dengan Metode Sol-Gel............. 28

Gambar 3.3. Bunga Sepatu.................................................................................. 29

Gambar 3.4. Serbuk Bunga Sepatu Kering.......................................................... 30

Gambar 3.5. Hasil Ekstraksi Dye Antocyanin Bunga Sepatu.............................. 30

Gambar 3.6. UV-Vis Spektrometer Lambda 25................................................... 31

Gambar 3.7. Ilustrasi Ukuran Scoth Tape.............................................................32

Gambar 3.8. Proses Pemanasan Lapisan Tipis TiO2............................................ 33

Gambar 3.9. Lapisan TiO2 Setelah Melalui Perendaman.................................... 34

Gambar 3.10. Pembuatan Counter Elektroda dengan Jelaga Lilin...................... 35

Gambar 3.11. Penentuan Screen Area Counter Elektroda................................... 35

Gambar 3.12. Counter Elektroda.......................................................................... 35


commit to user

xiii

Gambar 3.13. Pemasangan Keyboard Protector untuk Mencegah Short.............. 36

Gambar 3.14. Struktur DSSC Pada Penelitian Ini................................................ 36

Gambar 3.15. Kontak Pada DSSC yang Dibuat.................................................... 37

Gambar 3.16. DSSC yang Telah Difabrikasi dengan Antocyanin Bunga Sepatu

sebagai Sensitizer......................................................................... 37

Gambar 3.17. Rangkaian untuk Pengujian I-V DSSC.......................................... 38

Gambar 3.18. Pengujian I-V pada DSSC Menggunakan Keithley 2602A system

source .......................................................................................... 39

Gambar 4.1. Grafik Hasil Uji XRF untuk TiO2 dengan Suhu 600°C................... 40

Gambar 4.2. Pola XRD Bubuk TiO2.................................................................... 43

Gambar 4.3. Morfologi Permukaan Lapisan TiO2 (A) pada Perbesaran 1000x, (B)

pada Perbesaran 5000x................................................................... 44

Gambar 4.4. Spektra Absorbansi Dye Antocyanin Bunga Sepatu....................... 45

Gambar 4.5. Spektrum absorbans (a) dye antocyanin bunga sepatu; elektroda TiO2

setelah perendaman dengan ketebalan lapisan TiO2 (b) sampel A 1,3

± 0,6 μm, (c) sampel B 2,7 ± 0,4 μm, (d) sampel C 3,8 ± 0,4 μm, (e)

sampel D 4,8 ± 0,3μm..................................................................... 47

Gambar 4.6. Kurva Karakterstik Arus (I) dan Tegangan (V) hasil pengujian

dengan rangkaian pada sel surya berbasis sensitizer ekstra

antocyanin bunga sepatu variasi ketebalan lapisan TiO2 ................ 48

Gambar 4.7. Kurva karakterstik arus (I) dan tegangan (V) melalui pengujian

dengan Keithley pada sel surya berbasis sensitizer ekstrak

antocyanin bunga sepatu variasi ketebalan lapisan TiO2 ................ 53

Gambar 4.8. Kurva karakteristik arus – tegangan saat gelap dan terang.............. 54


commit to user

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Penentuan Ketebalan Lapisan ...........................................................61

Lampiran 2. Data JCPDF Kristal TiO2 Fase Anatase dan Rutile ..........................64

Lampiran 3. Perhitungan Ukuran Partikel Dengan Rumus Schereer.....................65

Lampiran 4. Perhitungan Ukuran Rongga Hasil SEM...........................................66


commit to user

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Energi fosil khususnya minyak bumi, merupakan sumber energi utama dan

devisa negara. Namun konsumsi energi listrik yang terus meningkat sejalan

dengan laju pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk menyebabkan

berkurangnya cadangan energi fosil (khususnya minyak bumi) di Indonesia. Oleh

karena itu penyediaan energi di masa depan merupakan permasalahan yang

senantiasa menjadi perhatian, sebab bagaimanapun juga kesejahteraan manusia

dalam kehidupan modern sangat terkait dengan jumlah dan mutu energi yang

dimanfaatkan. Bertolak dari hal tersebut dan juga kesadaran untuk melestarikan

lingkungan menyebabkan kita harus berpikir untuk mencari alternatif penyedia

energi listrik yang dapat mengurangi ketergantungan dari penggunaan energi fosil

(khususnya minyak bumi) dengan memanfaatkan potensi sumber daya energi

setempat yang tentunya ramah lingkungan. Indonesia memiliki kekayaan alam

melimpah yang diantaranya bisa digunakan sebagai sumber energi terbarukan,

seperti yang tersaji dalam tabel 1.1.

Tabel 1.1. Potensi Sumber Energi Baru Terbarukan di Indonesia

(Kemenristek, 2006)

Energi Non Fosil Potensi Kapasitas Terpasang

Tenaga Air 75,67 GW 4,2 GW

Panas Bumi 27,14 GW 0,852 GW

Micro Hydro 0,46 GW 0,084 GW

Biomassa 49,81 GW 0,302 GW

Tenaga Surya 4,80 kWh/m2/hari 0,008 GW

Tenaga Angin 9,29 GW 0,0005 GW


commit to user

2

Dari beberapa sumber energi terbarukan yang tersaji pada tabel 1.1, tenaga

surya merupakan sumber energi yang potensial bagi Indonesia. Hal ini

dikarenakan letak Indonesia yang berada pada daerah khatulistiwa yaitu 6°LU -

11°LS dan 95°BT - 141°BT sehingga tingkat radiasi matahari di Indonesia sangat

tinggi yaitu sebesar 4,80 – 5,10 kWh/m2/hari dengan variasi bulanan ± 9%

(Heriyanti, 2006). Selain itu energi matahari tidak bersifat polutif dan tidak dapat

habis, yang mendukung untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan

pengganti energi fosil. Dengan menggunakan efek fotovoltaik, cahaya matahari

dapat diubah secara langsung menjadi energi listrik. Pirantinya dikenal dengan

nama solar cell atau sel surya.

Sel surya dapat dikategorikan menjadi dua macam menurut bahan

penyusunnya, yaitu sel surya organik dan anorganik. Sel surya anorganik tersusun

atas bahan anorganik tipe n dan tipe p, seperti silikon dan senyawa semikonduktor

dimana strukturnya disusun oleh p-n junction. Generasi pertama sel surya, lapis

tunggal dioda p-n junction dan generasi kedua sel surya yang menggunakan lapis

ganda dioda p-n junction termasuk dalam kategori sel surya anorganik. Sel-sel

tersebut biasanya terbuat dari silikon (Si). Sel surya berbasis silikon tersebut telah

berhasil mendominasi pasar dengan mangsa pasar sekitar 82% dan efisiensi lab

dan komersil berturut-turut yaitu 24,7% dan 15% . Meskipun demikian,

keterbatasan suplai bahan baku silikon serta biaya produksi dan proses fabrikasi

yang tinggi telah membatasi penggunaan piranti fotovoltaik konvensional ini.

Hingga akhirnya, sel surya organik, sel surya generasi ketiga yang berbasis

nanoteknologi mulai dikembangkan. Sistem ini pertama kali dikenalkan oleh

Gratzel pada tahun 1991 yang dinamakan sel surya tersensitisasi dye atau dye-

sensitized solar cell (DSSC) (Halme, 2002). Sel-sel ini lebih sederhana dan lebih

mudah dibuat dari material organik yang tidak mahal dan tidak sulit diperoleh di

pasaran serta tidak memerlukan bahan dengan kemurnian tinggi, sehingga dapat

menekan biaya produksi yang kemudian menjadi solusi dari kelemahan sel surya

berbasis silikon.

Berbeda dengan sel surya anorganik yang semua proses melibatkan bahan

silikon itu sendiri, pada DSSC absorpsi cahaya dan separasi muatan listrik tidak


commit to user

3

terjadi pada bahan yang sama. Absorpsi cahaya dilakukan oleh molekul zat warna

atau dye dan separasi muatan oleh semikonduktor anorganik nanokristal yang

memiliki celah pita besar. Salah satu semikonduktor yang sering digunakan

adalah TiO2 (Titanium Oksida) yang memiliki struktur mesopori. Semikonduktor

titania memiliki energi gap sebesar 3,2 eV dan menyerap sinar pada daerah

ultraviolet. Material ini dipilih karena memiliki banyak keuntungan diantaranya

murah, pemakaian luas, tidak beracun, serta banyak pula digunakan sebagai bahan

dasar pembuatan produk-produk kesehatan serta sebagai pigmen cat (Gratzel,

2003).

Gratzel pada tahun 1991 menemukan bahwa TiO2 yang disensitasi oleh zat

warna atau dye dalam larutan elektrolit dapat menghasilkan arus listrik dengan

efisiensi 7,1 %. Ketebalan lapisan TiO2 berpengaruh terhadap banyaknya dye

yang dapat teradsorpsi. Semakin tebal lapisan TiO2 maka akan semakin banyak

dye yang teradsorbsi karena seiring bertambahnya partikel TiO2 maka akan

semakin banyak dye yang terikat pada partikel TiO2. Sehingga hal ini akan

mempengaruhi kinerja dari sel DSSC yang dibuat. Penyerapan dye dilakukan

dengan melakukan perendaman terhadap lapisan tipis TiO2 selama beberapa

waktu tertentu (Meen et.al., 2009).

Sejauh ini dye yang digunakan sebagai sensitizer dapat berupa dye

sintesis maupun dye alami. Dye sintesis umumnya menggunakan organik logam

berbasis ruthenium complex. Walaupun dengan menggunakan dye tersebut telah

mencapai efisiensi 10%, namun ketersediaan dan harganya sangat mahal.

Sedangkan dye alami dapat diekstrak dari bagian-bagian tumbuhan seperti daun,

bunga, atau buah. Berbagai jenis ekstrak tumbuhan telah digunakan sebagai

fotosentizer pada sistem sel surya tersensitisasi dye. Dye-sensitizer alami yang

pernah digunakan dalam sistem DSSC diantaranya yaitu buah buni (Pangestuti,

2009), bunga rosella (Wongcharee et.al., 2006), kol merah (Maddu dkk, 2007)

dan lain-lain. Zat warna alami tersebut telah terbukti mampu memberikan efek

fotovoltaik walaupun efisiensi yang dihasilkan masih jauh lebih kecil

dibandingkan zat warna sintetis. Meskipun demikian, zat warna organik sangat

kompetitif untuk dijadikan sensitizer karena biaya produksinya yang murah dan


commit to user

4

proses isolasinya juga lebih mudah, selain itu dye organik tidak mengandung

logam-logam mulia seperti halnya dye Ruthenium.

Karakteristik penting dari bahan dye yang digunakan yaitu mampu

menyerap spektrum cahaya yang lebar dan cocok dengan pita energi titania.

Senyawa antocyanin yang terdapat pada tumbuhan ternyata mampu dijadikan

sebagai sensitizer (Wongcharee et.al., 2006). Bunga sepatu (Hibiscus rosa

sinensis L) merupakan salah satu tumbuhan yang mengandung antocyanin yang

terdapat pada bagian kelopak (Permana, 2010). Sehingga bisa dimanfaatkan

sebagai dye-sensitizer pada sel surya jenis DSSC. Dalam penelitian ini akan

dilakukan fabrikasi DSSC dengan pengujian karakteristik optik dan I-V dari dye

antocyanin bunga sepatu (Hibiscus rosa sinensis L), serta pengaruh variasi

ketebalan lapisan tipis TiO2 terhadap efisiensi DSSC tersebut.

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dikemukakan, maka dapat

dirumuskan beberapa masalah sebagai berikut :

1. Bagaimana karakteristik absorbansi dari ekstrak bunga sepatu (Hibiscus

rosa sinensis L) yang akan digunakan sebagai dye?

2. Bagaimana pengaruh variasi ketebalan lapisan tipis TiO2 terhadap efisiensi

DSSC?

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah :

1. Membuat prototipe DSSC yang dapat mengkonversi energi surya

menjadi energi listrik.

2. Menentukan karakteristik absorbansi (serapan) dye dari ekstrak bunga

sepatu ( Hibiscus rosa sinensis L).

3. Menentukan efisiensi DSSC yang telah dibuat dengan variasi

ketebalan lapisan tipis TiO2.


commit to user

5

1.4 Batasan Masalah

Penelitian ini diberi batasan sebagai berikut:

1. Dye pada penelitian ini merupakan hasil ekstraksi bunga sepatu

(Hibiscus rosa sinensis L).

2. Karakterisasi absorbansi pada dye ekstrak bunga sepatu menggunakan

Spektrometer UV-Vis.

3. Pasta TiO2 dilapiskan pada FTO menggunakan metode slip casting

pada fabrikasi DSSC, selanjutnya dilakukan penentuan ketebalan

lapisan tipis TiO2 dengan metode by weight , pengujian karakteristik I-

V serta penentuan efisiensi DSSC yang melibatkan tiga faktor hasil

kurva karakteristik I-V.

1.5 Manfaat Penelitian

Teknologi pembuatan DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) yang

dikembangkan pada penelitian ini bisa menjadi kajian untuk penelitian lebih

lanjut terutama mengenai ketebalan optimal dari lapis tipis TiO2 sehingga

menghasilkan sel surya yang mempunyai performansi lebih baik.


commit to user

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Energi Surya

Energi surya adalah radiasi yang diproduksi oleh reaksi fusi nuklir pada

inti matahari. Matahari mensuplai hampir semua panas dan cahaya matahari yang

diterima bumi. Energi surya terpancar hingga ke bumi berupa paket-paket energi

yang disebut foton.

Dalam kaitannya dengan sel surya, terdapat dua parameter penting dalam

energi surya: pertama intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang

kepada permukaan per luas area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari

(Smestad,et.al., 1998).

Jumlah rata-rata sinar matahari di luar atmosfir bumi disebut sebagai solar

constant. Pengukurannya dilakukan oleh beberapa satelit yang menunjukkan

bahwa solar constant bernilai 1365 W/m2. Namun setelah disaring oleh atmosfir

bumi beberapa spektrum cahaya hilang dan intensitas puncak radiasi menjadi

1000 W/m2. Intensitas sinar matahari ke bumi bervariasi karena orbit bumi

mengitari matahari adalah elips. Data energi surya untuk kepentingan ekonomis

umumnya direpresentasikan dalam insolation yang memiliki satuan kWh/hari/m2.

Sedangkan hubungan antara insolation dengan intensitas radiasi ditunjukkan oleh

persamaan 2.1.

1 𝑖𝑛𝑠𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 1

24 × 10

3 × 𝑊

𝑚2 (2.1)

Sebagai contoh untuk nilai insolation 6 kWh/hari/m2, maka nilai intensitas radiasi

adalah 250W/m2.

Radiasi surya yang dipancarkan dari fotoshpere matahari pada temperatur

6000K, yang memberikan distribusi spektrumnya mirip dengan distribusi

spektrum black body. Dengan melalui atmoshpere bumi, radiasi surya mengalami


commit to user

7

pelemahan oleh berbagai partikel diantaranya molekul udara, debu dan lain-lain

sehingga menghasilkan spektrum gambar 2.1.

Gambar 2.1. Perbandingan spektra energi radiasi sebagai fungsi panjang

gelombang dari matahari untuk kondisi tepat di atas atmosfer bumi, black body,

dan pada permukaan bumi.( Septina, 2010).

2.2. Sel Surya

2.2.1. Umum

Sel surya atau Photovoltaic (PV) cell adalah sebuah peralatan yang

mengubah energi matahari menjadi listrik oleh efek fotovoltaik. Photovoltaic

merupakan kajian bidang teknologi dan riset yang berhubungan dengan aplikasi

energi surya sebagai sel surya. Photovoltaic berasal dari Bahasa Yunani yang

merupakan kombinasi kata light, photo, dan voltaic dari nama Alessandro Volta

(Pagliaro dalam Wijayanti, 2010).

Sebagaimana telah diketahui bahwa cahaya tampak maupun yang tidak

tampak memiliki dua buah sifat yaitu berperilaku sebagai gelombang dan dapat

sebagai partikel yang disebut sebagai foton. Penemuan ini pertama kali

diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi yang dipancarkan oleh sebuah

cahaya dengan panjang dan frekuensi foton satu gelombang 𝜆 dirumuskan dengan

persamaan :


commit to user

8

𝐸 = ℎ. 𝑐/𝜆 (2.2)

Dengan h adalah tetapan Plancks (6.62×10-34

J.s) dan c adalah kecepatan cahaya

vakum (3,00×108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa foton dapat

dilihat sebagai partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang

dan frekuensi tertentu.

2.2.2. Prinsip kerja sel surya

Prinsip kerja sel surya adalah berdasarkan konsep semikonduktor p-n

junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang

membentuk sambungan (junction) p-n, lapisan antirefleksi, dan substrat logam

sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole).

Hal ini dapat dilihat pada struktur sel surya Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Struktur sel surya silikon sambungan p-n (Halme, 2002).

Material semikonduktor dapat dibedakan atas dua jenis yaitu yang

memiliki celah pita energi langsung (direct bandgap) dan celah pita energi tidak

langsung (indirect bandgap). Silikon adalah material semikonduktor dengan

indirect bandgap, dimana energi minimum pada pita konduksi dan energi

maksimum pada pita valensi terjadi pada harga momentum kristal yang berbeda .

Sehingga diperlukan adanya energi foton yang lebih besar dari enegi gap agar

terjadi transisi langsung dari pita valensi ke pita konduksi. Namun demikian

transisi dapat terjadi pada harga energi yang lebih rendah, yaitu dengan memberi


commit to user

9

pengotor pada silikon. Pengotor akan menciptakan sebuah tingkatan energi

diantara pita konduksi dan pita valensi. Proses pemberian pengotor tersebut

dinamakan doping. Silikon didoping dengan unsur golongan V sehingga terdapat

kelebihan elektron valensi, sebagai semikonduktor tipe – n. Pada sisi lain

semikonduktor tipe-p diperoleh dengan doping unsur golongan III sehingga

elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material

tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron tipe-n berdifusi ke tipe-p

sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan

bermuatan negatif. Medan elektrik yang terjadi antara keduanya mendorong

elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini telah terbentuk

sambungan p-n. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka

telah terbentuk dioda.

Gambar 2.3. Cara kerja sel surya silikon (Halme, 2002).

Ketika sambungan disinari foton dengan energi yang sama atau lebih besar

dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari

pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi.

Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam materi sehingga menghasilkan

pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya,

maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan

perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Skema kerja sel surya silikon

ditunjukkan pada Gambar 2.3.


commit to user

10

2.2.3. Performa Sel Surya

Performa pada sel surya dapat dilihat berdasarkan efisiensi konversi energi

cahaya ke energi listrik. Efisiensi konversi energi secara keseluruhan diperoleh

dari kurva arus - tegangan (I-V) yang melibatkan 3 parameter sel surya :

1. Arus hubung pendek (short circuit current, Isc) yang secara ideal sama

dengan arus yang dihasilkan cahaya dan dapat juga disebut short circuit

current density, Jsc yang melibatkan daerah aktif sel.

2. Tegangan (open circuit voltage, Voc) dan

3. Fill factor (FF)

Tiga parameter tesebut dihitung dari kurva karakteristik arus - tegangan (I-V) dari

sel surya. Pada kurva I-V sumbu vertikal menunjukkan arus dan sumbu horizontal

menunjukkan tegangan (voltase). Kurva karakteristik I-V ditunjukkan pada

gambar 2.4.

Gambar 2.4. Bentuk kurva I-V solar cell (Kartini dalam Heriyanti, 2006)

Kurva I-V melewati 2 titik penting yaitu ketika sel dalam kondisi short

circuit, arus maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada

kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tergangannya

maksimum, disebut tegangan open-circuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang

menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum atau

Maximum Power Point (MPP). Imax dan Vmax adalah arus dan tegangan untuk

energi maksimum yang terjadi ketika hasil kali arus dan tegangan bernilai

maksimum. Tidak ada energi yang dihasilkan ketika terjadi Voc ataupun Isc. Energi

maksimum terjadi di daerah antara kedua titik tersebut. Titik saat terjadi energi


commit to user

11

maksimum menunjukkan efisiensi maksimum dalam sistem sel surya yang

mengubah cahaya menjadi listrik.

Sedangkan fill factor (FF) merupakan ukuran perbandingan luas persegi

kurva I-V, yaitu ukuran kuantitatif kualitas sistem sel surya yang dinyatakan

dengan persamaan 2.3 :

𝐹𝐹 =𝑉𝑚𝑎𝑥 . 𝐼𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑜𝑐 . 𝐼𝑠𝑐 (2.3)

Dengan menggunakan fill factor maka maksimum daya dari sel surya didapat dari

persamaan (Halme, 2002) :

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑂𝐶 . 𝐼𝑆𝐶 .𝐹𝐹 (2.4)

Sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari

sel (𝑃𝑚𝑎𝑥 ) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (𝑃𝑐𝑎ℎ𝑎𝑦𝑎 ) :

𝜂 =𝑃 𝑚𝑎𝑥

𝑃𝐶𝑎 ℎ𝑎𝑦𝑎 (2.5)

2.3. DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)

2.3.1. Umum

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) terdiri dari sebuah working electroda

(elektrode kerja), sebuah counter electrode (elektroda lawan) dan elektrolit. Zat

warna dari kompleks ruthenium melekat pada pori nanokristal dari film

semikonduktor, misalnya TiO2 yang merupakan elektroda kerja. Sebuah kaca

konduktif platina sebagai counter electrode dan larutan I3-/I

- sebagai elektrolit

(Halme, 2002). DSSC atau Sel Gratzel ini sangat menjanjikan karena dibuat

dengan material dengan biaya murah dan pembuatannya tidak membutuhkan

peralatan yang rumit. Efisiensi DSSC dengan bahan organik terdiri dari ruthenium

(II) polypyridyl complex seperti N3 dye mencapai 10% (Gratzel, 2003).

2.3.2. Perkembangan DSSC

DSSC pertama kali ditemukan oleh Gratzel pada tahun 1991. DSSC

merupakan terobosan pertama penerapan material organik dalam teknologi sel


commit to user

12

surya sejak sel surya silikon. Penemuan Gratzel tersebut berhubungan dengan

penerapan prinsip efisiensi kompleks ruthenium untuk mengaktifkan film

semikonduktor, yang sangat sensitif di daerah cahaya tampak (visible region).

Semikonduktor yang digunakan oleh Gratzel adalah titania (TiO2) yang

dilapiskan pada substrat. Efisiensi sel surya Gratzel mencapai 7,1 %. Sejak

penemuan Gratzel tersebut, DSSC menjadi salah satu topik penelitian yang

intensif dilakukan oleh peneliti di seluruh dunia untuk meningkatkan performa

dari DSSC. Selain dye sintesis, dye alami dari carotenoid (Gao, 2000) , klorofil

(Amao dalam Noor, et.al., 2011) dan antocyanin (Wongcharee, et.al., 2006) juga

berpotensi menjadi dye alami pada DSSC.

Hao dkk (2006) membandingkan DSSC yang menggunakan dye sintesis

dan dye alami. Dye alami yang digunakannya adalah dye dari antocyanin,

carotenoid, dan juga clorophyl. DSSC dengan dye dari ekstrak Rosa xanthina dan

black rice yang mengandung antocyanin, menghasilkan daya maksimum dan fill

factor berturut – turut sebesar 163 μW dan 0,52 serta 327 μW dan 0,52. DSSC

dengan dye dari ekstrak Erythrina dan Capsicum yang mengandung carotenoid,

menghasilkan daya maksimum dan fill factor berturut – turut sebesar 207 μW dan

0,55 serta 58 μW dan 0,63. Sementara DSSC dengan dye dari ekstrak Kelp yang

mengandung eksrak klorofil menghasilkan daya maksimum 118 μW dan fill factor

0,62. Pada akhirnya dye sintesis dari Ruthenium pyridin ring menghasilkan daya

maksimum 2787 μW dan fill factor 0,67 jauh lebih besar dibandingkan dye alami.

Walaupun dye sintesis menghasilkan daya output yang lebih baik, ketersediaan

dan harganya yang sangat mahal menjadikan dye alami tetap kompetitif sebagai

sensitizer pada DSSC.

Penelitian Maddu dkk (2007) yang menjadikan ekstrak kol merah sebagai

sensitizer karena mengandung antocyanin, melakukan variasi lama perendaman

elektroda kerja pada dye dalam upaya mengetahui pengaruh lama rendaman

terhadap efisiensi DSSC. Ternyata sampel dengan perendaman 24 jam memiliki

efisiensi 0,055 % lebih besar dibandingkan sampel dengan perendaman 1jam yang

efisiensinya 0,0023%. Nilai efisiensi tersebut diperoleh dengan pengukuran DSSC

menggunakan rangkaian berbeda dengan penelitian Noor dkk (2011) yang


commit to user

13

menggunakan Keithley 2400 electro meter. Noor dkk (2011) melalukan penelitian

dengan mencampur dye dari ekstrak antocyanin black rice dan ekstrak klorofil

dari daun pandan. Dye hasil campuran antocyanin dan klorofil yang ternyata

mampu meningkatkan efisiensi DSSC, yang diperoleh sebesar 0,42 % lebih baik

daripada DSSC dengan dye ekstrak antocyanin black rice sebesar 0,37 % dan

dengan DSSC dengan dye ekstrak klorofil daun pandan sebesar 0,24 %.

Sementara Sari dkk (2011) menyimpulkan bahwa semakin besar konsentrasi dan

nilai absorbansi ekstrak Sansevieria trifasciata yang mengandung antocyanin,

klorofil maupun carotenoid , dan juga semakin besar ketebalan lapisan TiO2 akan

menaikkan nilai efisiensi DSSC. Sampai saat ini, masih terus dilakukan penelitian

terkait dengan peningkatan efisiensi DSSC dengan melakukan variasi pada

material DSSC.

2.3.3. Prinsip Kerja DSSC

Pada susunan paling sederhana, DSSC terdiri dari kaca konduktif

transparan dilapisi dengan nanocristalline TiO2 (nc-TiO2), molekul dye berkait

dengan permukaan nc-TiO2, sebuah elektrolit seperti I-/I3

-, dengan illuminasi pada

sel mampu menghasilkan tegangan dan arus (Halme, 2002). Dimana struktur dan

komponen dari DSSC disajikan pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Struktur dan komponen DSSC (Halme, 2002)


commit to user

14

Absorbsi cahaya dari DSSC dilakukan oleh molekul dye dan separasi

muatan dilakukan pada semikonduktor TiO2. Dengan struktur pori yang nano

maka permukaan dari TiO2 menjadi luas sehingga memperbanyak dye yang

terabsorbsi dan akan meningkatkan efisiensi. Meskipun hanya selapis dye, dapat

mengabsorbsi kurang dari 1% dari cahaya yang datang (Gratzel, 1991). Saat

penyusunannya, molekul dye menjadi sebuah lapisan dye yang tebal. Lapisan

tersebut mampu meningkatkan kemampuan optis DSSC. Kontak langsung antara

molekul dye dengan permukaan elektrode semikondutor dapat memisahkan

muatan dan berkontribusi pada pembangkit arus.

Prinsip kerja DSSC digambarkan dengan gambar 2.6, pada dasarnya

prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama

dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi

foton. Elektron tereksitasi dari ground state (D) ke excited state (D*).

𝐷 + 𝑒− → 𝐷∗ (2.6)

Elektron dari exited state kemudian langsung terinjeksi menuju pita

konduksi (ECB) TiO2 sehingga molekul dye teroksidasi (D+). Dengan adanya

donor elektron oleh elektrolit (𝐼−) maka molekul dye kembali ke keadaan

awalnya (ground state) dan mencegah penangkapan kembali elektron dye yang

teroksidasi.

2𝐷+ + 3𝑒− → 𝐼3− + 2𝐷 (2.7)

Gambar 2.6. Skema Kerja dari DSSC (Sastrawan dalam Wijayanti, 2010)


commit to user

15

Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju counter-

elektroda melalui rangkaian eksternal. Counter elektroda yang biasa digunakan

berupa kaca konduktif (TCO) yang dilapisi oleh lapisan karbon atau platina.

Elektron yang sampai di elektroda lawan akan mereduksi senyawa elektrolit (I3-

menjadi I-), seperti persamaan 2.8.

𝐼3− + 2𝑒− → 3𝐼− (2.8)

Iodin ini digunakan untuk mendonor elektron kepada dye yang teroksidasi,

sehingga terbentuk suatu siklus transport elektron. Dengan siklus ini terjadi

konversi langsung dari cahaya matahari menjadi listrik.

2.3.4. Material DSSC

2.3.4.1. Substrat

Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis TCO (Transparent

Conductive Oxide). TCO merupakan substrat yang tidak mengubah sifat suatu

material, bekerja sebagai kolektor arus dan juga material atau badan dari sel surya.

Resistansi TCO akan meningkat, ketika dipanaskan pada suhu tinggi dalam

jangka waktu yang cukup lama. Jenis TCO mempengaruhi kestabilan saat

kenaikan temperatur diatas suhu pendeposisian optimum. Fluorine-doped tin

oxide (Sn:F atau FTO) sangat stabil, sehingga pengurangan substrat kaca lebih

terbatas daripada dekomposisi panas pada lapisan konduktif, sedangkan Indium

Tin Oxide (ITO) menunjukkan adanya sifat konduktif yang hilang pada

pemanasan suhu yang lebih dari 200oC (Kruger dalam Sila, 2011).

2.3.4.2. Titanium Dioxide (TiO2)

TiO2 merupakan bahan semikonduktor yang bersifat inert, stabil terhadap

fotokorosi dan korosi oleh bahan kimia (Hoffmann, et.al., 1995). Mempunyai

energi celah pita lebar yaitu 3,2 eV (yang merupakan selisih absolut dari posisi

tingkat energi pita konduksi 4,5 eV dengan posisi tingkat energi pita valensi -7,7

eV), sehingga bersifat transparan di daerah cahaya tampak. Aplikasi TiO2 sebagai

semikonduktor telah banyak dilaporkan, diantaranya untuk manufaktur elemen


commit to user

16

optik. Selain itu TiO2 berpotensial pada aplikasi divais elektronik seperti DSSC,

sensor gas, dan lain-lainnya (Marchand, 2004).

TiO2 dengan struktur nanopori yaitu ukuran pori dalam skala nano akan

meningkatkan kinerja sistem karena struktur nanopori mempunyai karakteristik

luas permukaan yang tinggi sehingga akan memperbanyak jumlah dye yang

terabsorb yang implikasinya jumlah cahaya yang terabsorb juga meningkat.

TiO2 memiliki tiga fase kristal yaitu anatase, rutile dan brookite. Namun

hanya anatase dan rutile yang memegang peranan penting dalam aktivitas

fotokatalitik. Anatase diketahui sebagai fase kristal titania yang paling bersifat

fotoaktif. Anatase secara termodinamik kurang stabil dibanding rutile, tetapi

pembentukannya terjadi pada temperatur yang lebih rendah. Aktivitas

fotokatalitik TiO2 tergantung pada sifat fase anatase, yang dipengaruhi oleh

morfologi, luas permukaan, kristalinitas dan ukuran partikel. Struktur rutile dan

anatase dapat digambarkan sebagai rantai oktahedral TiO6. Kedua struktur kristal

dibedakan oleh distorsi oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya. Anatase

bersifat metastabil dan akan berubah menjadi rutile pada suhu diatas 915°C.

Anatase mempunyai struktur kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4

sudut, adapun struktur kristal dari anatase maupun rutile ditunjukkan pada gambar

2.7 dan 2.8.

Gambar 2.7 Struktur kristal TiO2

anatase (Heriyanti, 2006)

Gambar 2.8. Struktur kristal TiO2

rutile (Heriyanti, 2006)


commit to user

17

Bentuk titania yang stabil adalah rutile, dimana bentuk lain titania berubah

pada suhu tinggi. Rutile mempunyai struktur kristal mirip dengan anatase, dengan

pengecualian bahwa Ti-O oktahedral sharing 4 sisi bukan 4 sudut. Penataan

tersebut menghasilkan terbentuknya rantai yang tersusun dalam four fold symetri.

Tiap atom Ti4+

dikelilingi secara oktahedral oleh 6 atom O2-

. Pada struktur

rutile setiap oktahedral dikelilingi oleh 10 oktahedral tetangga, sedangkan pada

struktur anatase setiap oktahedral dikelilingi oleh 8 oktahedral lainnya. Oktahedral

pada rutile mengalami sedikit distorsi orthorombik, sedangkan distorsi

orthorombik pada anatase cukup besar sehingga relatif tidak simetri. Jarak antara

atom Ti-Ti pada anatase lebih besar dari rutile (3,79 Å pada anatase dan 2,96 Å

pada rutile).

Struktur anatase memiliki band gap sebesar 3.2 eV, nilai tersebut setara

dengan energi gelombang cahaya tampak dengan panjang gelombang 413 nm.

Dibandingkan dengan pita energi beberapa jenis semikonduktor lainnya, pada

gambar 2.9 terlihat bahwa fermi level TiO2 jauh lebih dekat ke level pita konduksi

jika dibandingkan dengan pita valensi. Sehingga TiO2 merupakan semikonduktor

tipe-n dan cenderung bermuatan negatif. Hal inilah yang mendasari TiO2 cocok

digunakan sebagai media penghantar elektron dari dye ke elektroda .

Gambar 2.9. Posisi pita energi semikonduktor (Gratzel, 2001)

(eV)


commit to user

18

2.3.4.3. Dye

Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang terabsorbsi pada

permukaan TiO2. Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling

tinggi yaitu jenis ruthenium complex. Walaupun DSSC menggunakan ruthenium

complex telah mencapai efisiensi yang cukup tinggi, namun dye jenis ini cukup

sulit untuk disintesa dan ruthenium complex komersil berharga mahal sehingga

para peneliti berlomba-lomba membuat adanya alternatif lain pengganti dye jenis

ini yaitu dye alami yang dapat diekstrak dari bagian-bagian tumbuhan seperti

daun, bunga, atau buah (Maddu dkk, 2007). Berbagai jenis ekstrak tumbuhan

telah digunakan sebagai fotosentizer pada sistem sel surya tersensitisasi dye. Dye-

sensitizer alami yang pernah digunakan dalam sistem DSSC diantaranya yaitu

bunga rosella (Wongcharee et.al.,2006), buah bunni (Pangestuti, 2009) dan kol

merah (Maddu dkk, 2009). Zat warna alami tersebut telah terbukti mampu

memberikan efek photovoltaic walaupun efisiensi yang dihasilkan masih jauh

lebih kecil dibandingkan zat warna sintetis. Meskipun demikian, zat warna

organik sangat kompetitif untuk dijadikan sensitizer karena biaya produksinya

yang murah dan proses isolasinya juga lebih mudah.

Karakteristik penting dari bahan dye yang digunakan yaitu mampu

menyerap spektrum cahaya yang lebar dan cocok dengan pita energi titania.

Ekstrak dye atau pigmen tumbuhan yang digunakan sebagai fotosensitizer berupa

ekstrak klorofil (Amao dalam Noor dkk, 2011), carotenoid (Gao, 2000) atau

antocyanin (Wongcharee et.al., 2006).

2.3.4.3.1. Antocyanin

Antocyanin merupakan salah satu pigmen yang bisa digunakan sebagai dye

selain klorofil dan β-Carotene, yang mempunyai dua fungsi, yaitu sebagai pigmen

pembantu dalam fotosintesis dan sebagai pewarna dalam bunga, buah dan sayuran

yang berwarna biru, ungu, violet, magenta dan kuning. Antocyanin adalah

komponen yang bisa digunakan sebagai fotosensitizer pada daerah sinar tampak.

Serapan maksimum dari ekstrak antosianin berkisar didaerah antara 510-548 nm

bergantung pada buah atau pelarut yang digunakan (Heriyanti, 2006). Pigmen ini


commit to user

19

terdapat salah satunya pada bunga sepatu (Permana, 2010). Adapun rangka

struktur kimia dari antocyanin ditunjukkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10. Struktur molekul antocyanin dan ikatan antara molekul antocyanin

dan TiO2 partikel (Hao, 2011)

2.3.4.4. Elektrolit

Elektrolit merupakan salah satu bagian terpenting dari sel surya. Fungsi

elektrolit dalam sistem DSSC adalah untuk menggantikan kehilangan elektron

pada ground state dari dye akibat eksitasi elektron dari ground state ke excited

state karena penyerapan cahaya tampak oleh dye. Elektrolit juga berfungsi sebagai

pembawa elektron antara fotoelektroda dan electroda counter pada DSSC. Pada

umumnya pembuatan sel DSSC menggunakan pasangan redoks I- (iodine) dan I

3-

(triiodine) sebagai elektrolit, karena sifatnya yang stabil dan mempunyai

reversibility yang baik.

2.3.5. Fabrikasi DSSC

Cara paling umum dalam fabrikasi DSSC di laboratorium yaitu

menggabungkan dua kaca dengan lapisan yang berbeda dengan struktur sandwich,

sebagai substrat dan superstrat, yang salah satunya yaitu lapisan TiO2 dimana

cahaya masuk dan yang lainnya yaitu counter electroda yang dilapisi katalis

misalnya lapisan karbon atau platina (gambar 2.11). Untuk meminimalisasi biaya

produksi pada skala massal, satu sel bisa dideposisikan secara langsung antara

kaca dengan luas permukaan yang tinggi.


commit to user

20

Gambar 2.11. Struktur DSSC menggunakan TCO (Wang et.al., 2007)

Selain itu Kay dan Gratzel pada tahun 1996 mengembangkan tiga lapisan

struktur sel monolithic (Gambar 2.12), untuk mengadaptasi proses produksi sel

surya lapisan tipis sehingga lebih mudah mencapai tahap komersialisasi. Pada

struktur monolithic, semua lapisan dari sel dapat dideposisikan masing-masing

diatas yang lainnya pada satu kaca yang dilapisi ITO, sedangkan satu kaca lain

yang berlawanan hanya berfungsi sebagai pelindung dan enkapsulasi.

Gambar 2.12. Struktur Sandwich DSSC (Halme, 2002)

2.4. X-Ray Diffraction (XRD)

XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasilkan sinar X dan

digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal, sistem kristal (kubik,


commit to user

21

tetragonal, ortorombik, rombohedral, heksagonal, monoklinik, triklinik),

menentukan kualitas kristal (single crystal, polycrystal, amorphous), menentukan

simetri kristal, menentukan cacat kristal (dislokasi), mencari parameter kristal

(parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel), dan analisis kimia.

Sinar X dihasilkan dari sepasang elektroda yang terdapat didalam tabung sinar X.

Elektron dihasilkan dari pemanasan elektroda bertegangan rendah (katoda) yang

terbuat dari filamen tungsten. Elektron dipercepat dengan kecepatan yang sangat

tinggi ke arah anoda. Elektron-elektron kehilangan energi karena terjadi tumbukan

dengan anoda dan menghasilkan sinar-X dalam jumlah kecil (kurang dari 1%) dan

yang lainnya terhambur menjadi panas (Suryanarayana dalam Setyowati, 2006).

Penggambaran proses difraksi meliputi tiga hal yaitu hamburan

(scattering), interferensi dan difraksi. Sinar X yang mengenai bidang kristal akan

dihamburkan ke segala arah (gambar 2.13). Sinar-sinar pantul yang sefase yang

berbeda lintasan sebesar kelipatan bulat dari panjang gelombang akan

menimbulkan interferensi saling menguatkan. Pemantulan dan interferensi

bergabung menjadi difraksi. Difraksi akan saling menguatkan jika terpenuhi

persamaan Bragg sebagai berikut:

2d sin θ = n λ (2.9)

adalah panjang gelombang, d adalah jarak antar atom dalam bidang kristal,

adalah sudut difraksi dan n adalah bilangan bulat.

Gambar 2.13. Difraksi Sinar X Pada Kristal.

d

nλ = 2d sinθ

θ θ A

B

D C

E

Sinar Pantul Sinar Datang 1

2

3


commit to user

22

Berdasarkan gambar 2.13 selisih lintasan sinar pantul 1 dan 2 adalah :

∇= AB + BD – AE (2.10)

Dengan AB = BD = 𝑑

sin 𝜃 dan AE = AD. cosθ = 2 d

𝑐𝑜𝑠 2𝜃

sin 𝜃 (2.11)

Dengan d merupakan jarak antara 2 bidang pantul yang berdekatan dan θ sudut

antara sinar datang dan bidang pantul. Subtitusi persamaan (2.11) dalam

persamaan (2.10) di dapatkan :

∇ = 2𝑑 (1−𝑐𝑜𝑠 2𝜃)

sin 𝜃 = 2 d sin θ (2.12)

2.5. X- Ray Fluorescence (XRF)

XRF (X-ray fluorescence) spectrometry merupakan teknik analisa non-

destruktif yang digunakan untuk identifikasi serta penentuan konsentrasi elemen

yang ada pada padatan, bubuk ataupun sample cair. Metode XRF secara luas

digunakan untuk menentukan komposisi unsur suatu material. Karena metode ini

cepat dan tidak merusak sampel, metode ini dipilih untuk kontrol material. Prinsip

pengukuran dengan XRF dapat digambarkan seperti Gambar 2.14.

Gambar 2.14. Prinsip pengukuran dengan XRF (Gosseau, 2009)


commit to user

23

Apabila sinar-X primer yang berasal dari tabung X ray atau sumber

radioaktif mengenai sampel, sinar-X dapat diabsorpsi atau dihamburkan oleh

material. Proses dimana sinar-X diabsorpsi oleh atom dengan mentransfer

energinya pada elektron yang terdapat pada kulit yang lebih dalam disebut efek

fotolistrik. Selama proses ini, bila sinar-X primer memiliki cukup energi, elektron

akan terpental atau pindah dari kulit yang di dalam dan menimbulkan kekosongan.

Kekosongan ini menghasilkan keadaan atom yang tidak stabil. Apabila atom

kembali pada keadaan stabil, elektron dari kulit luar pindah ke kulit yang lebih

dalam dan proses ini menghasilkan energi sinar-X tertentu dan berbeda antara dua

energi ikatan pada kulit tersebut. Emisi sinar-X dihasilkan dari proses yang

disebut X Ray Fluorescence (XRF). Proses deteksi dan analisa emisi sinar-X

disebut analisa XRF. Pada umumnya kulit K dan L terlibat pada deteksi XRF.

Sehingga sering terdapat istilah Kα dan Kβ serta Lα dan Lβ pada XRF. Jenis

spektrum X ray dari sampel yang diradiasi akan menggambarkan puncak-puncak

pada intensitas yang berbeda (Viklund, 2008).

2.6. Scanning Electron Microscopy (SEM)

SEM adalah salah satu jenis mikroskop elektron yang menggunakan

berkas elektron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang

dianalisis. SEM memiliki perbesaran dari 10 x – 3000000 x , dengan resolusi

antara 1 – 10 nm. Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan

permukaan benda atau material dengan berkas elektron yang dipantulkan. Sebuah

pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda, lensa

magnetis akan memfokuskan elektron menuju sampel, sinar elektron yang

terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil

pemindai (scanning coil). Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan

memantulkan elektron (elektron sekunder ke segala arah) yang akan diterima oleh

detektor dan dikirim ke monitor/CRT.


commit to user

24

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Jurusan Fisika dan

Laboratorium Pusat Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA),

Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret-

Desember 2011. Pembuatan bubuk TiO2 dilakukan di Laboratorium Pusat Sub

Lab Biologi dan Sub Lab Fisika. Karakterisasi absorbansi larutan dye bunga

sepatu (Hibiscus rosa sinensis L) dan lapisan TiO2 yang telah direndam dye, serta

pengujian karakteristik I-V baik dengan rangkaian maupun Keithley dilaksanakan

di Laboratorium Material Jurusan Fisika. Sementara karakterisasi kandungan

bubuk TiO2, struktur kristal, dan morfologi lapisan TiO2 dilaksanakan di

Laboratorium Terpadu FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3.2. Alat dan Bahan

3.2.1. Alat Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan

karakterisasi. Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi :

1. Timbangan Digital METLER TOLEDO AL204

2. Hot Plate IKA® C-MAG HS-7

3. Spatula Kaca

4. Gelas Beker 50 ml

5. Pengaduk Magnetik

6. Gelas Ukur 10 ml

7. Kertas Saring whatman no.42

8. Corong

9. Aluminium Foil

10. Pipet Tetes Kaca

11. Botol Kaca 5 ml

12. Ultrasonic cleaner


commit to user

25

13. Hair Dryer

14. Illuminator

15. Furnace

16. Oven

17. Solar Power Meter Tes 1333R

18. Kaca Preparat

19. Kaca konduktif jenis FTO(Flourin- doped Tin Oxide)

20. Multimeter

21. Resistor

22. Cawan krus 75 ml

Sedangkan alat-alat yang digunakan untuk karakterisasi yaitu:

1. UV-Vis Spektrometer Lambda-25

2. Diffractometer D8 Advance (XRD)

3. XRF Bruker AXS S2 Ranger

4. SEM Quanta 250 FEG

5. Keithley 2602A system source

3.2.2. Bahan Penelitian

Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai derajat

kemurnian pro analisis (pa). Bahan-bahan yang digunakan meliputi :

1. Bunga sepatu ( Hibiscus rosa sinensis L)

2. Aquades

3. Asam sitrat

4. Ethanol dari MERCK

5. Block copolymer Pluronic PE 6200 (PE08-PPO30-PEO8, massa molar =

2450 g/mol) dari BASF

6. Methanol dari MERCK

7. Larutan Elektrolit dengan PEG

8. Keyboard Protector ( sebagai gasket)

9. Karbon

10. TiCl4 (Titanium tetrachloride) dari MERK


commit to user

26

3.3. Diagram Penelitian

Secara umum alur penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian.

3.3.1. Persiapan

Persiapan yang dilakukan adalah persiapan alat dan bahan yang akan

digunakan untuk membuat bubuk TiO2. Selain itu, dalam proses persiapan juga

dilakukan pembersihan alat-alat yang akan digunakan penelitian, terutama untuk

membuat bubuk TiO2. Alat-alat tersebut dibersihkan dengan menggunakan

methanol, kemudian dikeringkan dengan hair dryer. Selain proses persiapan

pembuatan bubuk TiO2, dilakukan pula pembersihan kaca konduktif jenis FTO

untuk pengujian sampel dengan methanol menggunakan ultrasonic cleaner.

Didapatkan larutan

dye antocyanin

Persiapan

Ekstraksi dye antocyanin

Pembuatan lapisan tipis TiO2

dengan metode slip casting

Fabrikasi DSSC Pengujian Karakteristik

I-V

Pengujian Efisiensi Analisa dan kesimpulan

Pembuatan Counter Elektroda

Pembuatan bubuk TiO2

dengan metode sol gel

Dihasilkan bubuk TiO2

Karakterisasi

Karakterisasi

XRD XRF

Karakterisasi

Absorbansi

SEM UV – VIS


commit to user

27

Pembersihan kaca konduktif menggunakan ultrasonic cleaner bertujuan agar

kaca terbebas dari material-material yang tidak mampu dibersihkan dengan air

saja. Kaca konduktif yang bersih mempengaruhi hasil pengujian dari sampel yang

akan dilapiskan pada kaca konduktif tersebut.

3.3.2. Pembuatan Bubuk TiO2 dengan Metode Sol-Gel .

Nanopori TiO2 disintesis dengan menggunakan metoda sol-gel dengan

bantuan block copolymer/Pluronic P2243-250G sebagai template untuk

membentuk struktur nanopori. Proses sol-gel adalah teknik pengendapan larutan

kimia (sol) yang bertindak sebagai prekusor untuk suatu jaringan terpadu (gel)

sehingga mengandung fase cair dan padat. Kelebihan proses ini adalah tahap

pembentukan jaringan polimer anorganik dapat terjadi pada temperatur relatif

rendah atau pada temperatur kamar (Schmidt dalam Wibowo, 2006). Beberapa

alat dan bahan untuk pembuatan TiO2 dengan metode sol-gel ditunjukkan oleh

gambar 3.2 dengan angkah-langkah eksperimennya dijelaskan sebagai berikut :

1. Block copolymer Pluronic PE 6200 sebanyak 3 gram dilarutkan pada

ethanol sebanyak 30 gram kemudian diaduk selama 30 menit oleh

pengaduk magnetik.

2. Pada larutan tersebut ditambahkan secara perlahan-lahan prekursor TiCl4

sebanyak 5.7 gram kemudian diaduk selama 30 menit, sehingga rasio

molar TiCl4:ethanol:block copolymer adalah 1:21,7:0,0408.

3. Larutan kemudian dilakukan proses aging pada temperatur 40°C selama 7

hari pada cawan petri sampai terbentuk dry-gel.

4. Dry-gel yang terbentuk kemudian dikalsinasi ( proses pemanasan dengan

suhu tinggi namun masih di bawah titik lebur) pada temperatur 600°C

selama 4 jam dengan kecepatan pembakaran 5-6°C/menit untuk

mendapatkan bubuk TiO2.


commit to user

28

Gambar 3.2. Alat dan bahan pembuatan TiO2 dengan menggunakan

metode sol gel.

3.3.2.1. Karakterisasi Kandungan Bubuk TiO2

Nanopori TiO2 diuji jumlah kandungan unsur TiO2 menggunakan XRF (X-

Ray Fluorecence) Bruker AXS S2 Ranger. Spektroskopi XRF adalah teknik

analisis unsur yang membentuk suatu material dengan dasar interaksi sinar-x

dengan material analit. Metode fluoresensi sinar-X merupakan peristiwa atom-

atom pada permukaan sampel akan ditumbuk dengan sinar-X yang berasal dari

sumber sinar-X, interaksi ini menyebabkan terjadinya efek fotolistrik pada

atom-atom di permukaan bahan tersebut, dimana pada interaksi ini elektron

dalam orbital kulit K akan terlempar dan terjadi kekosongan elektron pada kulit

tersebut. Kekosongan elektron ini akan diisi oleh elektron dari orbital diatasnya.

Perpindahan elektron tersebut diikuti dengan melepaskan sinar-X karakteristik

sesuai dengan atom yang mengalami proses tersebut. Analisis kandungan unsur

dalam bahan ditentukan atas dasar sinar-X karakteristik yang terdeteksi. Teknik

ini banyak digunakan dalam analisa unsur karena membutuhkan jumlah sample

yang relative kecil (sekitar 1 gram). Sampel yang digunakan biasanya berupa

serbuk hasil penggilingan atau pengepresan menjadi bentuk film. Karakterisasi

dengan XRF digunakan karena mempunyai akurasi yang tinggi yang dapat

mengetahui unsur-unsur yang terkandung dalam bubuk TiO2 beserta

komposisinya. Sehingga, dari hasil karakterisasi XRF dapat ditentukan kelayakan

bubuk TiO2 yang telah dibuat.


commit to user

29

3.3.2.2. Karakteristik Struktur Kristal Bubuk TiO2

Namun karena karakterisasi dengan metode XRF belum mampu

digunakan untuk menentukan struktur kristal dari atom yang membentuk material

tersebut, yang dalam hal ini adalah bubuk TiO2, maka dibutuhkan karakterisasi

lain yang mampu melengkapi parameter karakteristik dari bubuk TiO2 yang telah

dibuat. Difraktometer merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk

mempelajari struktur bahan. Identifikasi mineral yang terkandung dalam suatu

bahan dan lain-lainya dengan mengamati pola difraksi yang dihasilkan oleh bahan

tersebut. Dalam penelitian ini, penentuan struktur kristal nanopori TiO2 yang telah

dibuat menggunakan metode difraksi sinar X dengan alat XRD Bruker D8

Advance. XRD Bruker menggunakan radiasi Cu Kα (1,5406 A) pada tegangan 40

kV, dan arus sebesar 40 mA. Hasil difraktometer dibandingkan dengan data

JCPDF (Joint Committee Powder Difraction File) TiO2.

3.3.3. Ekstraksi Dye Antocyanin Bunga Sepatu (Hibiscus rosa sinensis L)

Ekstraksi adalah pemisahan suatu zat dari campurannya dengan

pembagian sebuah zat terlarut antara dua pelarut yang tidak dapat tercampur untuk

mengambil zat terlarut tersebut dari satu pelarut ke pelarut yang lain.

Gambar 3.3. Bunga sepatu (Hibiscus rosa sinensis L).


commit to user

30

Gambar 3.4. Serbuk bunga sepatu kering.

Dye yang akan digunakan kali ini menggunakan pewarna alami dari

bunga sepatu (gambar 3.3), yang diekstraksi menggunakan dengan pemanasan.

Pertama kali bunga sepatu dicuci kemudian diambil bagian mahkotanya, dijemur

dibawah sinar matahari selama 7 hari. Setelah itu bunga sepatu dihaluskan dengan

blender, hasilnya seperti yang terlihat pada gambar 3.4. Setelah itu diekstraksi

dengan campuran ethanol, asam sitrat dan aquades yang perbandingannya 10 :

5% : 10 untuk 1 gram bubuk bunga sepatu, dan diaduk dengan magnetic stirrer

selama 30 menit pada suhu 60oC. Kemudian dilakukan penyaringan larutan

sehingga didapatkan dye alami yang dibutuhkan (gambar 3.5). Hasil ekstraksi

kemudian dijaga dalam botol gelap untuk mencegah penguapan dan degradasi

dye.

Gambar 3.5. Hasil ekstraksi dye antocyanin bunga sepatu.

3.3.3.1. Karakterisasi Absorbansi Ekstrak Bunga Sepatu

Hasil ekstraksi dye dalam bentuk larutan diuji absorbansinya dengan

Spektrometer UV-Vis. Spektrometer UV-Vis ditunjukkan pada gambar 3.6.

Pengujian larutan antocyanin dilakukan untuk mengetahui kemampuan absorbansi

sampel yang dihasilkan dari proses ekstraksi antocyanin. Sampel diuji pada


commit to user

31

panjang gelombang 350 nm sampai 800 nm. Pelarut dimasukkan pada kuvet

hingga kuvet terisi pada batas kuvet, dan dilakukan baseline correction untuk

menghilangkan background noise yang muncul saat uji sampel. Sebagai larutan

pembandingnya digunakan salah satu dari zat pelarut ekstraksi antocyanin.

Gambar 3.6. UV-Vis Spektrometer Lambda-25

3.3.4. Pembuatan Lapisan TiO2

3.3.4.1. Pembuatan Pasta TiO2

Langkah awal dalam pembuatan lapisan tipis TiO2 adalah membuat pasta

TiO2. Dalam pembuatan pasta ini meliputi:

1. Menimbang bubuk TiO2 sebanyak 1 gram.

2. Malarutkan bubuk TiO2 ke dalam ethanol sebanyak 2,5 ml di gelas

beker.

3. Mengaduk campuran tadi selama 30 menit dengan hot plate stirrer

untuk mendapatkan homogenisasi pasta TiO2.

4. Pasta siap digunakan untuk pembuatan lapisan tipis TiO2.

Pasta yang dihasilkan dari proses ini tidak dapat disimpan lama, karena

akan mengeras dan menjadi agregat.

3.3.4.2. Pembuatan Lapisan TiO2

Setelah pasta TiO2 berhasil dibuat, langkah selanjutnya adalah

mendeposisikannya pada kaca konduktif FTO. Deposisi pasta TiO2 dilakukan

dengan metode slip casting. Metode slip casting adalah metode penumbuhan

lapisan tipis dengan meratakan pasta pada screen area ukuran tertentu. Pada


commit to user

32

penelitian ini ukuran screen area yang digunakan adalah 2 cm x 1 cm. Setelah

TiO2 dan kaca konduktif siap, kemudian dilakukan langkah-langkah sebagai

berikut:.

1. Metakkan kaca FTO pada permukaan yang bersih dan rata ( misal :

kertas) dengan sisi konduktif berada di atas. Untuk mengecek sisi yang

konduktif menggunakan ohmmeter dengan menempelkan probe-nya

pada permukaan kaca.

2. Menimbang dan mencatat massa kaca konduktif FTO sebagai m1

3. Tutup tiga sisi kaca FTO menggunakan scotch tape seperti yang

diperlihatkan pada gambar 3.7.

Gambar 3.7. Ilustrasi ukuran scotch tape.

4. Kemudian mendeposisikan pasta TiO2 di atas FTO secukupnya, dan

dengan cepat ratakan pasta TiO2 dengan menggunakan spatula kaca

yang bersih ke seluruh permukaan FTO dengan ketebalan yang merata.

5. Setelah pendeposisian, sample didiamkan sesaat agar lapisan TiO2

kering.

6. Melepaskan scotch tape secara perlahan supaya tidak ada lapisan yang

terkelupas.

7. Mengulangi langkah no.1 sampai dengan no.6 sebanyak 4 kali variasi

ketebalan, yang mana dapat dikontrol dengan adanya scotch tape.

8. Lapisan tipis dipanaskan pada suhu 450oC masing-masing sebanyak

empat buah selama 10 menit dengan menggunakan hot plate seperti

gambar 3.8.

9. Menimbang massa lapisan tipis yang sudah jadi dan mencatatnya

sebagai m2.

2 cm

1 cm


commit to user

33

Gambar 3.8. Proses pemanasan lapisan tipis TiO2.

3.3.4.3 Karakterisasi Morfologi Lapisan Tipis TiO2.

Karakterisasi morfologi dari lapisan tipis TiO2 dapat diketahui

dengan menggunakan metode Scanning Electron Microscopy (SEM)

Quanta 250 FEG dengan resolusi 1,2 nm dan pembesaran hingga 400000

kali. SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada permukaan

sampel, yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi

bentuk gambar. Pada proses operasinya SEM tidak memerlukan sampel

yang ditipiskan sehingga bisa digunakan untuk melihat obyek dari sudut

pandang 3 dimensi. Metode ini digunakan untuk mengkarakterisasi

morfologi (analisa bentuk dan ukuran) lapisan tipis. Dari hasil SEM dapat

dianalisa untuk menentukan tekstur dari lapisan yang dihasilkan.

3.3.4.4. Perhitungan Ketebalan Lapisan Tipis TiO2.

Metode penimbangan atau by weight atau gravimetri ini digunakan

untuk menghitung ketebalan dari lapisan tipis yang telah dibuat dengan

memperhatikan luas screen area dan masssa. Dengan mengasumsikan

homogenitas kerataan permukaan lapisan dipenuhi, ketebalan lapisan

dapat dihitung dengan rumus berikut :

1. Menghitung massa lapisan tipis.

𝑚 = 𝑚2− 𝑚1 (3.1)

2. Dengan mengetahui massa jenis TiO2 dari referensi , yaitu 3,84

gr/cm3 (Weast dalam Tjahjanto, 2001) , maka didapatkan

volume.

𝜌 =𝑚

𝑉 (3.2)


commit to user

34

3. Dari volume, dapat ditentukan tebal lapisan tipis tersebut.

𝑉 = 𝐴 × 𝑡 (3.3)

dengan A = luas screen area lapisan tipis.

3.3.4.5. Pengujian Absorbansi Lapisan TiO2 dan Dye

Lapisan tipis yang telah terbentuk, kemudian direndam dalam

larutan dye selama 24 jam. Setelah sebelumnya dipanaskan 60°C untuk

membuka pori sehingga lebih efektif dalam proses penyerapan larutan dye.

Lapisan yang sudah melalui proses perendaman 24 jam (gambar 3.9),

selanjutnya diuji absorbansinya dengan menggunakan spektrometer UV-

VIS. Hal ini bertujuan untuk mengetahui terikat tidaknya kromofor

larutan dye dengan lapisan TiO2. Selain itu juga dimaksudkan agar

mengetahui pengaruh variasi ketebalan lapisan terhadap tingkat absorbansi

dye.

Gambar 3.9. Lapisan TiO2 setelah melalui proses perendaman.

3.3.5. Pembuatan Counter Elektroda

Counter elektroda berfungsi sebagai elektroda lawan yang mempercepat

kinetika reaksi proses reduksi pada FTO. Langkah-langkah pendeposisian counter

elektroda adalah sebagai berikut:

1. Kaca konduktif FTO dipersiapkan sebanyak 4 buah.

2. Kemudian dilakukan pengecekan untuk menentukan bagian yang

konduktif.

3. Dengan luas screen area yang sama dengan elektroda kerja yaitu 2 x 1

cm2 pada bagian konduktif diberi jelaga lilin (gambar 3.10).


commit to user

35

4. Tepi kaca dibersihkan menggunakan cotton bud dan pasikan terbentuk

lapisan carbon dengan ukuran 2cm x 1 cm (gambar 3.11).

5. Terakhir, counter elektroda yang sudah jadi (gambar 3.12) dipanaskan

pada suhu 250°C selama 10 menit agar karbon dan kaca TCO

membentuk kontak yang baik.

Gambar 3.10. Pembuatan counter elektroda dengan jelaga lilin.

Gambar 3.11. Penentuan screen area counter elektroda.

Gambar 3.12. Counter elektroda.

3.3.6. Fabrikasi DSSC

Setelah seluruh komponen DSSC siap, maka dilakukan pembuatan DSSC

dengan langkah sebagai berikut:

1. Lapisan tipis TiO2 yang telah dibuat direndam dalam dye selama 24

jam.


commit to user

36

2. Sampel yang sudah selesai direndam dibersihkan dengan aquades

kemudian dkeringkan.

3. Pasang keyboard protector seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.13.

Pemasangan keyboard protector ini dimaksudkan agar larutan elektrolit

tidak sampai keluar area aktif lapisan TiO2. Selain itu pemasangan ini

dimaksudkan juga untuk mencegah adanya short oleh larutan elektrolit

pada DSSC.

Gambar 3.13. Pemasangan keyboard protector untuk mencegah short.

4. Teteskan larutan elektrolit ± 2 tetes diatas lapisan tipis TiO2 yang telah

direndam dalam dye selama 24 jam tersebut.

5. Kaca FTO dengan elektroda kerja dan counter elektroda carbon

disusun seperti gambar 3.14.

Gambar 3.14. Struktur DSSC pada penelitian ini.

6. Jepit susunan di atas, untuk kontak pada DSSC dibuat dengan

menggunakan penjepit kertas pada tepi elektroda lawan dan elektroda

kerja seperti pada gambar 3.15. Sedangkan gambar 3.16 merupakan

sistem DSSC pada penelitian ini.

Kaca FTO

Kaca FTO

Lapisan tipis TiO2

Conter elektroda carbon

Antocyanin

dye


commit to user

37

Gambar 3.15. Kontak pada DSSC yang dibuat (Heriyanti, 2006)

Gambar 3.16. DSSC yang telah difabrikasi dengan dye antocyanin

bunga sepatu sebagai sensitizer.

3.3.7. Pengujian Karakteritik I-V dan Efisiensi DSSC

3.3.7.1 Pengujian dengan Rangkaian

Pengujian efisiensi DSSC bertujuan untuk mengetahui performa

DSSC yang kita buat. Dari uji ini kita dapat melihat seberapa besar energi

cahaya yang dapat dikonversikan oleh DSSC menjadi energi listrik.

Secara umum pengujian ini adalah sebagai berikut:

1. Hubungkan DSSC yang telah dibuat parallel dengan voltmeter.

2. Hubungkan juga amperemeter dan variabel resistor secara seri,

kemudian hubungkan rangkaian antara amperemeter dan resistor

tersebut secara parallel dengan DSSC (gambar 3.17).

3. Buat tabel dengan variabel hambatan (R), tegangan (V), dan arus (I).

4. Ukur Voc dengan tanpa memberikan hambatan serta memutus

sementara amperemeter dan catat besar tegangannya.

5. Ukur Ioc dengan memutus sementara hubungan ke voltmeter lalu catat

arus yang mengalir di amperemeter.


commit to user

38

6. Hubungkan kembali voltmeter dan ukur nilai tegangan dan arus

dengan memvariasi hambatan sebanyak bisa divariasi. Catat setiap arus

dan tegangan setiap variasi hambatan dilakukan.

7. Dari data yang diperoleh diplot membentuk kurva I-V dan hitung nilai

FF serta efisiensi DSSC dengan persamaan 2.3 dan 2.5.

Gambar 3.17.Rangkaian Untuk Pengujian I-V DSSC.

3.3.7.2. Pengujian dengan Keithley

Pengujian DSSC dengan Keithley dimaksudkan untuk

mendapatkan pengujian efisiensi dari DSSC yang lebih efektif. Terdapat

2 macam kurva karakteristik I-V yang didapat dari pengujian ini, yaitu

saat kondisi gelap dan terang. Hal ini akan menunjukkan ada tidaknya

sifat fotokonduktivitas DSSC. Pada kondisi terang DSSC disinari dengan

lampu dengan intensitas 1746 W/m2. Pengukuran intensitas cahaya

dengan solar power meter TES 1333R. Sedangkan pengukuran I-V

dilakukan dengan menggunakan seperangkat Keithley 2602A system

source yang ditunjukkan oleh gambar 3.18.


commit to user

39

Gambar 3.18. Pengujian I-V pada DSSC dengan menggunakan Keithley

2602A system source.

Uji I-V pada kondisi gelap ditutup dengan kotak yang dilapisi dengan

alumunium foil. Sehingga setelah uji ini didapatkan perbedaan

konduktivitas antara uji DSSC pada kondisi terang dan pada kondisi

gelap. Dari grafik karakteristik I-V kondisi terang yang didapatkan dapat

ditentukan nilai FF maupun efisiensinya dengan persamaan 2.3 dan 2.5.


commit to user

40

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Analisis Bubuk TiO2 dengan XRF

Metode XRF digunakan untuk menganalisis unsur logam dalam suatu

bahan baik secara kualitatif (identifikasi unsur/senyawa/zat dalam suatu sampel)

maupun kuantitatif (penetapan banyaknya jumlah unsur dalam sampel), dimana

analisis unsur permukaan dapat mewakili kandungan unsur dalam bahan. Analisis

kandungan dan komposisi bubuk TiO2 menggunakan XRF Bruker AXS S2 Ranger.

Alat XRF Bruker AXS S2 Ranger siap digunakan setelah melakukan reset kalibrasi

dan quality check. Reset kalibrasi dilakukan untuk mengetahui nilai dari standar

copper (Cu) sebesar 8039 eV dan resolusi sebesar 0,49; sedangkan quality check

dilakukan untuk mengetahui kondisi detektor sehingga dapat bekerja dengan baik.

Pengukuran standar menggunakan tegangan 35 kV dan kuat arus 50 μA.

Gambar 4.1. Grafik hasil uji XRF untuk TiO2 dengan suhu 600oC.

Spectra yang diperlihatkan dari spectrogram XRF yang diperoleh adalah

puncak-puncak dari setiap unsur yang terdeteksi sebagaimana tersaji dalam


commit to user

41

Gambar 4.1, yang merupakan hubungan antara energi unsur (keV) dan intensitas

cacahan perdetik (cps/count per second). Bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi

600oC hasil sintesa tampak pada line energy sebesar 4,51 keV. Serta memiliki

jumlah kandungan TiO2 sebesar 98,67 wt%, meskipun juga terdapat unsur lain

seperti P2O5, SO3, Cl, K2O, CaO, Fe2O3, SnO2, dan CeO2 yang besarnya kurang

dari 0,5 % (wt) sebagaimana terlihat dalam tabel 4.1. Hal ini disebabkan adanya

kandungan debu atau unsur lain yang sampel ketika sampel berada di dalam

oven maupun furnace.

Tabel 4.1. Kandungan Bubuk TiO2 Dengan Suhu Kalsinasi 600°C

4.2. Analisis Bubuk TiO2 Dengan XRD

Proses aging pada pembuatan bubuk TiO2, menghasilkan gel yang

memiliki bentuk amorf, dimana belum terbentuk struktur kristal, sehingga

diperlukan perlakuan panas pada rentang temperatur 400 - 700OC untuk

membentuk struktur kristal anatase (Menzies, 2005). Bubuk TiO2 pada suhu

kalsinasi 600oC memiliki jumlah partikel dengan bentuk kristal anatase paling

banyak, sehingga bubuk TiO2 dengan suhu kalsinasi 600oC baik untuk digunakan

dalam pembuatan sel surya (Sila, 2011). Untuk itulah sebelum difabrikasi menjadi

sel surya, bubuk TiO2 hasil sintesis, yang pada penelitian ini menggunakan suhu

Unsur Komposisi

(wt %)

P2O5 0,45

SO3 0,10

Cl 0,20

K2O 0,32

CaO 0,09

TiO2 98,67

Fe2O3 0,01

SnO2 0,02

CeO2 0,09


commit to user

42

kalsinasi 600°C dikarakterisasi dengan metode difraksi sinar-X (XRD) untuk

mengamati kristalografinya.

Karakterisasi XRD dilakukan dengan menggunakan alat XRD Bruker D8

Advance. XRD Bruker menggunakan radiasi Cu pada tegangan 40 kV, dan arus

sebesar 40 mA. Analisis dilakukan dengan membandingkan puncak – puncak

pada sampel dengan puncak-puncak standar dari JCPDF database. Hasil

karakterisasi XRD berupa pola difraksi (difraktogram) yang terdiri dari puncak –

puncak TiO2, seperti yang ditunjukan gambar 4.2. Puncak – puncak karakteristik

TiO2 yang muncul sangat jelas dan tajam, hal ini menunjukkan bahwa bubuk TiO2

hasil sintesis memiliki kristalinitas yang cukup baik, dengan orientasi prefer atau

puncak tertinggi pada sudut 2θ = 25,2508° yang bersesuaian dengan bidang [101]

pada JCPDF no. 21-1272 pada lampiran 2 . Puncak karakteristik TiO2 ini

merupakan puncak kristal anatase. Sebagaimana diketahui bahwa fase anatase

adalah fase kristal pada TiO2 yang paling efektif (Septina, 2007). Pola

difraktogram yang diperoleh juga dapat digunakan untuk menentukan ukuran

partikel kristal TiO2 berdasarkan FWHM (Full Width at Half Maximum) pada

berbagai puncak dengan menggunakan persamaan Scherrer,

D=𝑘𝜆

𝛽𝑐𝑜𝑠𝜃 (4.1)

𝜆 adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan (𝜆Cu = 0,15406 nm) ; k

adalah konstanta Scherrer = 0,9 ; 𝛽 adalah puncak dari setengah intensitas/FWHM

(Full-Width Half Maximum) ; dan 𝜃 adalah sudut difraksi (Cullity,1956) . Dari

hasil perhitungan diperoleh ukuran partikel dalam kristal TiO2 sekitar 9,58 nm.

Dalam aplikasinya pada sistem sel surya ini, ukuran partikel TiO2

berukuran nanometer ini dapat menampung jumlah molekul dye lebih banyak

karena terdapat pori yang besar. Sebaliknya jika ukuran partikelnya besar

(mikrometer), volume pori menjadi lebih kecil sehingga hanya mampu

menampung sedikit dye. Berarti dengan jumlah yang besar molekul dye yang

teradsorbsi pada permukaan partikel TiO2 menyebabkan peluang penyerapan foton

lebih besar sehingga meningkatkan jumlah elektron terinjeksi ke dalam partikel

TiO2 sehingga dapat meningkatkan performa dari sel surya.


commit to user

43

Pada gambar 4.2 juga menunjukkan bubuk TiO2 hasil sintesis

mengandung banyak anatase dan sedikit rutile yang mana keberadaannya

ditunjukkan oleh dua puncak yang sangat halus. Dengan fase anatase yang

mendominasi, bisa diartikan sistem tidak memiliki derajat keasaman yang tinggi.

Derajat keasaman yang tinggi menyebabkan bertambahnya jumlah atom karbon

pada pelarut dan mempengaruhi struktur kristal yang cenderung membentuk fase

rutile (Luo dalam Septina, 2007). Proses kristalisasi juga dipengaruhi oleh

kelembaban terhadap lingkungan selama proses aging, dimana komposisi larutan

yang sama namun mengalami proses aging berbeda dapat menghasilkan

komposisi fase anatase-rutile yang juga berbeda. Terbentuknya fase bikristal

anatase-rutile dikarenakan kelembaban yang relatif rendah sehingga interaksi

sistem dengan H2O juga rendah, hal tersebut menyebabkan larutan bersifat asam.

Gambar 4.2. Pola XRD Bubuk TiO2.

4.3.Analisis Lapisan TiO2 dengan SEM

Morfologi dan topografi lapis tipis TiO2 dapat diketahui melalui analisis

SEM. Dimana hasil karakterisasi SEM ditunjukkan oleh gambar 4.3. Secara visual

lapisan TiO2 yang dibuat dengan mengunakan metode slip casting sudah homogen

20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsi

tas

(Co

un

ts)

Sudut 2 Theta (derajat)

A (

10

1)

A (

00

4)

R (

10

1)

R (

20

0)

A (

20

0)

A (

10

5)

A (

21

1)

A (

20

4)

A (

11

6)

A (

22

0)

A (

21

5)


commit to user

44

namun tidak rata. Hal ini disebabkan proses penghalusan (penggerusan) bubuk

TiO2 hasil sintesa yang kurang maksimal. Penggunaan metode slip casting dalam

pendeposisian suspensi TiO2 pada substrat kaca juga mempengaruhi kurang

meratanya hasil yang diperoleh, karena alat yang digunakan untuk meratakan

suspensi TiO2 menggunakan batang pengaduk/spatula kaca berbentuk silinder.

Selain itu kekuatan mekanik dari lapisan TiO2 yang dihasilkan tidak

begitu kuat. Hal ini dapat dibuktikan dengan melakukan gesekan atau goresan

sedikit saja pada kaca FTO maka lapisan akan terlepas dari substrat kaca.

Fenomena tersebut dikarenakan karakter pelekatan lapisan TiO2 yang baru bersifat

interaksi fisika pada permukaan kaca. Penyebab lain juga dikemukakan oleh

Heriyanti (2006) bahwa viskositas suspensi juga berpengaruh pada kekuatan

mekanik lapisan yang dihasilkan. Lapisan dengan viskositas suspensi yang tinggi

akan menghasilkan lapisan yang retak – retak dan mudah terlepas dari substrat

kaca. Oleh karena itu, perlu dilakukan kajian lebih lanjut untuk menghasilkan

interaksi yang kuat antara lapisan TiO2 dan kaca TCO.

Gambar 4.3. Morfologi permukaan lapisan TiO2 (A) pada perbesaran

1000 x , (B) pada perbesaran 5000 x.

Pada gambar 4.3 (B) dengan perbesaran yang lebih tinggi dapat dilihat

bahwa morfologi dari permukaan lapisan TiO2 berongga – rongga. Ukuran dari

rerata rongga – rongga tersebut adalah 0,62 ± 0,04 μm. Morfologi dari lapisan

tipis yang berongga – rongga tersebut akan memperbesar luas permukaan lapisan

B A B

1000 x 5000 x


commit to user

45

TiO2, yang mana hal tersebut memberikan keuntungan pada saat proses adsorbsi

zat warna, karena zat warna akan terserap efektif dengan adanya rongga – rongga.

Selain itu permukaan yang berongga – rongga mempermudah penyebaran larutan

elektrolit dalam lapisan TiO2 elektroda sel surya (Heriyanti, 2006).

4.4.Karakterisasi Absorbansi Ekstrak Bunga Sepatu.

Absorbansi merupakan kuantitas yang menyatakan kemampuan bahan

dalam menyerap (mengabsorbsi) cahaya. Senyawa organik mampu mengabsorbsi

cahaya sebab senyawa organik mengandung elektron valensi yang dapat dieksitasi

ke tingkat energi yang lebih tinggi (Wijayanti, 2010). Antocyanin merupakan

salah satu zat warna alami yang berpotensi dimanfaatkan sebagai fotosensitizer.

Karakteristik absorbansi antocyanin dalam mengabsorbsi ini menjadi hal yang

penting dalam pemanfaatannya, yaitu sebagai dye pada sistem DSSC. Oleh karena

itu perlu dilakukan uji absorbansi hasil ekstraksi bunga sepatu. Spektrum

absorbans diukur pada rentang panjang gelombang 380 nm – 800 nm, dimana

warna dari ekstrak larutan bunga sepatu ini adalah merah.

Gambar 4.4. Spektra absorbansi dye antocyanin bunga sepatu.

Hasil karakterisasi spektrum absorbans yang ditunjukkan pada gambar 4.4

memperlihatkan bahwa spektrum serapan ekstrak antocyanin cukup lebar yang

mencakup dari panjang gelombang 450 nm – 580 nm dengan puncak absorbsi

0

1

2

3

4

5

6

7

8

380 480 580 680 780

Ab

sorb

ansi

Panjang Gelombang (nm)


commit to user

46

maksimum ( λmaks) sekitar 520 nm. Hal ini berarti bahwa ekstrak antocyanin

mampu menyerap spektrum warna biru sampai kuning. Dengan demikian, ekstrak

antocyanin sangat signifikan dan dominan menyerap spektrum warna hijau (500

nm – 550 nm), ini bersesuaian dengan warna ekstrak yang kemerahan (Maddu,

2007). Dengan demikian ekstrak antocyanin bunga sepatu dapat digunakan

sebagai dye dalam sistem DSSC karena mampu menyerap sinar tampak.

4.5.Karakterisasi Absorbansi Lapisan TiO2 dan Dye

Ketebalan lapisan TiO2 berpengaruh terhadap banyaknya dye yang dapat

teradsorpsi. Semakin tebal lapisan TiO2 maka akan semakin banyak dye yang

teradsorbsi karena seiring bertambahnya partikel TiO2 maka akan semakin banyak

dye yang terikat pada partikel TiO2. Sehingga hal ini akan mempengaruhi kinerja

dari sel DSSC yang dibuat. Penyerapan dye dilakukan dengan melakukan

perendaman terhadap lapisan tipis TiO2 selama beberapa waktu tertentu (Meen

et.al., 2009). Dimana dalam penelitian ini , dilakukan perendaman selama 24 jam.

Pengujian ini selain bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi

ketebalan terhadap absorbansi dari dye dalam bentuk padatan atau lapisan tipis

juga untuk memastikan terjadinya ikatan antara kromofor dye dari antocyanin

dengan TiO2. Pengukuran ansorbansi dilakukan pada rentang panjang gelombang

380 nm – 800 nm. Ketebalan lapisan tipis TiO2 divariasi sebanyak empat sampel,

yaitu a, b, c dan d dengan nilai ketebalan berturut turut 1,3 ± 0,6 μm; 2,7 ± 0,4

μm; 3,8 ± 0,4 μm; dan 4,8 ± 0,3 μm yang ditentukan dengan metode by weight.

Pada gambar 4.5 terlihat bahwa seiring dengan bertambahnya ketebalan,

bertambah besar pula konsentrasi molekul antocyanin yang terabsorbsi pada

permukaan partikel TiO2. Terlihat juga spektrum dye antocyanin pada lapisan tipis

TiO2 mengalami pergeseran ke arah panjang gelombang yang lebih besar akibat

perubahan warna dye antocyanin setelah terabsorbsi pada lapisan TiO2, yaitu dari

warna kemerahan menjadi keunguan. Perubahan warna ini sebagai akibat

terjadinya ikatan antara kromofor dye antocyanin dengan TiO2. Serapan atau

absorsi pada permukaan lapisan TiO2 ini membentuk quinoidal yang

mengakibatkan permukaan TiO2 terlihat menjadi berwarna ungu dan hanya sedikit


commit to user

47

mengandung bentuk flavilium sebagai penyebab warna merah (Dai dkk dalam

Maddu, 2007).

Gambar 4.5. Spektrum absorbans (a) dye antocyanin bunga sepatu;

elektroda TiO2 setelah perendaman dengan ketebalan lapisan TiO2 (b) sampel

a 1,3 ± 0,6 μm, (c) sampel b 2,7 ± 0,4 μm, (d) sampel c 3,8 ± 0,4 μm, (e)

sampel d 4,8 ± 0,3 μm.

4.6.Karakterisasi I-V Pada Sistem Sel Surya

4.7.1 Karakterisasi I-V dengan Rangkaian

Karakterisasi arus (I) dan tegangan (V) dilakukan pada sampel berbentuk

prototipe sel surya yang terdiri dari substrat TCO yang telah terdeposisi oleh

lapisan TiO2, dye bunga sepatu, larutan elektrolit polimer yang mengandung

mediator redoks, dan elektroda counter berupa kaca FTO yang dilapisi karbon

yang berasal dari jelaga lilin. Sumber cahaya yang digunakan adalah OHP light

dengan intensitas sebesar 734 W/m2. Luas penampang prototipe sel surya TiO2

tersensititasi dye sebesar (2 x 1) cm2 atau 2 cm

2. Prototipe sel surya dibuat

sebanyak 4 sampel menggunakan bubuk TiO2 yang dikalsinasi pada suhu 600oC,

dengan ketebalan sampel a, b, c, dan d berturut – turut adalah (1,3 ± 0,6) μm, (2,7

2

3

4

5

6

7

8

380 480 580 680 780

Ab

sorb

ansi

Panjang Gelombang (nm)

(a)

(b)

(c)(d)

(e)


commit to user

48

± 0,4) μm, (3,9 ± 0,4) μm dan (4,8 ± 0,3) μm, dimana masing-masing direndam

dalam larutan dye selama 24 jam.

Kurva karakterisasi arus (I) dan tegangan (V) dapat digunakan untuk

mengetahui tingkat performa dari sel surya. Pertama, arus short-circuit (Isc), yaitu

nilai arus terbesar yang mengalir ketika rangkaian dihubung singkat, dimana

tegangan antar ujung besarnya nol. Kedua, nilai tegangan terbesar open-circuit

(Voc), yaitu tegangan yang dihasilkan ujung-ujung elektroda dimana arus bernilai

nol. Ketiga, daya maksimum (Pmax), didapatkan dari hasil kali maksimum antara

arus dan tegangan. Keempat, Fill Factor (FF) memperlihatkan seberapa jauh

kurva karakterisasi arus (I) dan tegangan (V) mendekati bentuk ideal, dimana

besarnya kurang dari 1 (positif). Karakteristik arus (I) dan tegangan (V) untuk

sel yang dibuat dari bubuk TiO2 yang disintesis dengan metode sol-gel pada suhu

kalsinasi 600°C dan dye antocyanin bunga sepatu dengan variasi ketebalan lapisan

TiO2 diperlihatkan pada gambar 4.6.

Gambar 4.6. Kurva Karakterstik Arus (I) dan Tegangan (V) hasil

pengujian dengan rangkaian pada sel surya berbasis sensitizer ekstrak

antocyanin bunga sepatu variasi ketebalan lapisan TiO2

Pada gambar 4.6 sampel A, B, C, dan D menunjukkan sel surya yang

mendapatkan perlakuan yang sama yaitu menggunakan bubuk TiO2 dengan

kalsinasi 600°C dan direndam dalam larutan dye antocyanin bunga sepatu selama

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 100 200 300 400

Aru

s (μ

A)

Tegangan (mV)

SAMPEL A

SAMPEL B

SAMPEL C

SAMPEL D


commit to user

49

24 jam. Perbedaannya terletak pada ketebalan lapisan TiO2 yang ditentukan

dengan metode by weight. Nilai ketebalan dari sampel A, B, C, dan D berturut –

turut adalah (1,3 ± 0,6) μm, (2,7 ± 0,4) μm, (3,8 ± 0,4) μm, dan (4,8 ± 0,3) μm.

Elektron sistem sel surya dihasilkan dari elektron zat warna yang tereksitasi

karena mendapatkan sinar pada daerah cahaya tampak yang kemudian diinjeksi ke

dalam pita konduksi semikonduktor TiO2. Terjadinya injeksi elektron zat warna ke

dalam pita konduksi semikonduktor TiO2 dipermudah dengan adanya interaksi

atau ikatan zat warna dengan TiO2, jika tidak terjadi interaksi atau ikatan maka

sistem sel surya akan mati karena sulitnya menginjeksi sehingga tidak ada arus

yang mengalir. Sistem sel surya dikatakan mati apabila arus yang dihasilkan

sistem pada saat tegangan bernilai 0 (Isc) adalah 0.

Faktor lain yang menyebabkan sel surya mati adalah terjadinya short

karena kontak langsung dengan elektroda kerja (working electroda) dengan

elektroda lawan (counter electroda). Hal ini bisa terjadi bila larutan elektrolit

tidak bisa terdistribusi merata pada seluruh permukaan elektroda kerja - elektroda

lawan. Dari kurva I-V yang dihasilkan pada masing – masing sampel dengan luas

permukaan 2 cm x 1 cm dan intensitas sumber sebesar 734 W/m2 dapat ditentukan

nilai arus short circuit (Isc), tegangan open circuit (Voc), fill factor (FF), dan

efisiensinya sebagaimana tersaji dalam tabel 4.2.

Tabel 4.2. Hasil Pengukuran Arus – Tegangan Sistem Sel Surya Berbasis

Sensitizer Ekstrak Antocyanin Bunga Sepatu dengan Rangkaian.

Hasil pengujian karakteristi arus – tegangan pada sistem sel surya berbasis

sensitizer ekstrak antocyanin bunga sepatu dengan variasi ketebalan lapisan yang

Sampel Isc

(μA)

Voc

(mV)

FF EF

(%)

A 2,01 281 0,476 1,8 x 10-4

B 2,21 284 0,478 2,0 x 10-4

C 2,25 290 0,491 2,2 x 10-4

D 2,4 314 0,482 2,5 x 10-4


commit to user

50

disajikan pada tabel 4.2. menunjukkan bahwa semakin tebal lapisan TiO2 maka

efisiensinya juga meningkat, hal ini disebabkan karena ketebalan elektroda TiO2

terkait dengan kapasitas menyimpan dye, semakin tebal lapisan secara kasar

berarti dye yang tersimpan juga akan semakin banyak. Namun menurut Jabbari

(2011) dengan meningkatnya ketebalan lapisan maka kecepatan charge transfer

akan berkurang, ini mempengaruhi efisiensi sel selanjutnya. Hasil penelitian

Jabbari (2011) penurunan efisiensi pada sel surya terjadi pada ketebalan lapisan

antara 13 μm – 15 μm. Sementara penelitian ini belum bisa menghasilkan

ketebalan lapisan diatas 10 μm, hal ini dikarenakan metode pembuatan lapisan

tipis yang menggunakan metode slip casting dimana kontrol ketebalan lapisan

menggunakan scotch tape pada ketiga sisi tepi substrat kaca, sehingga belum

mampu mengkaji pengaruh ketebalan lapisan terhadap kecepatan change transfer.

Pada tabel 4.2 terlihat bahwa semua sampel sistem sel surya dapat

menghasilkan arus, meskipun arus yang dihasilkan masih sangat kecil. Hal ini

kemungkinan disebabkan karena adanya faktor hambatan dalam yang besar,

proses rekombinasi (reaksi balik elektron yang sudah terinjeksi oleh dye yang

teroksidasi) yang tidak diinginkan, dan konstruksi pengukuran yang belum

sempurna. Untuk itulah kurva I-V yang berasal dari rangkaian dengan memvariasi

hambatannya perlu dibandingkan dengan kurva I-V yang dihasilkan dengan

pengujian menggunakan Keithley 2602A system source.

4.7.2. Karakterisasi I-V dengan Keithley

Salah satu kelemahan metode slip casting untuk pembuatan lapisan TiO2

adalah konsistensinya dalam kontrol ketebalan. Dalam pengalaman pada

penelitian ini, pengulangan pembuatan sampel dengan perlakuan yang sama

belum tentu akan menghasilkan ketebalan yang sama pula. Oleh karena itu pada

pengujian karakteristik I-V sistem sel surya dengan menggunakan Keithley 2602

A ini, sampel yang digunakan memiliki ketebalan yang berbeda dari sampel yang

diuji dengan metode rangkaian, namun selisihnya sangat kecil. Dengan demikian

tetap bisa dibandingkan hasil dari pengujian dengan dua metode ini.


commit to user

51

-0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

-1 0 1 2

I (A

mp

ere

)

V (Volt)

Gelap

Terang

Berbeda dari pengukuran arus – tegangan dengan rangkaian yang

mendapatkan kurva I-V dengan memvariasikan hambatan, pada pengukuran I-V

menggunakan Keithley 2602A system source, sistem sel surya bertindak sebagai

photodioda. Pengambilan data dilakukan dengan memasukkan nilai tegangan

(drain voltage) -0,5 – 1 Volt. Dimana akan diamati dua perlakuan pada sel surya,

yaitu tanpa cahaya, dimana sel surya berada dalam kondisi gelap dan dengan

disinari cahaya dari OHP light berintensitas 1746 W/m2

atau dalam kondisi terang.

Gambar 4.7 menunjukkan karakteristik kurva I-V pada sel surya TiO2

tersensitisasi dye dengan ekstrak antosianin bunga sepatu sebagai fotosensitizer

pada ketebalan yang berbeda (a) 1,4 ± 0,5 μm (b) 2,9 ± 0,4 μm (c) 3,9 ± 0,4 μm (d)

4,7 ± 0,3 μm.

-8E-05

-6E-05

-4E-05

-2E-05

-8E-19

2E-05

4E-05

6E-05

8E-05

1E-04

0 0.2 0.4

I sc = 5.1E-05

Voc = 0,2839172


commit to user

52

-5E-05

-3E-05

-1E-05

1E-05

3E-05

5E-05

7E-05

0 0.1 0.2

-0.0003

-0.0002

-0.0001

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

-1 0 1 2

I (A

mp

ere

)

V (Volt)

gelap

terang

(b)

-0.0004

-0.0002

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014

-1 0 1 2

I (A

mp

ere

)

V (Volt)

gelap

terang

(c)

-8E-05

-6E-05

-4E-05

-2E-05

-7E-19

2E-05

4E-05

6E-05

8E-05

1E-04

0 0.5

I sc = 5,6E-05

V oc = 0,374379


commit to user

53

-0.0001

-1E-18

1E-04

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0 0.5

-0.001

-0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

-1 0 1 2

I (A

mp

ere

)

V(Volt)

Gelap

Terang

(d)

Gambar 4.7. Kurva karakterstik arus (I) dan tegangan (V) melalui pengujian dengan

Keithley pada sel surya berbasis sensitizer ekstrak antocyanin bunga

sepatu variasi ketebalan lapisan TiO2 .

Pada gambar 4.7 dapat diketahui bahwa 4 sampel yang dibuat memiliki

sensitivitas terhadap cahaya. Kenaikan arus pada tiap sampel berbeda, sampel (d)

memiliki kenaikan arus yang lebih besar dibandingkan dengan ketiga sampel

lainnya. Hal ini menunjukkan sampel (d) memiliki sensitivitas cahaya yang paling

tinggi. Dari tinggi rendahnya kenaikan arus juga dapat diketahui bahwa ketebalan

lapisan TiO2 sangat berpengaruh, yaitu dengan bertambahnya ketebalan lapisan

TiO2, maka kenaikan arus juga bertambah besar yang berlaku pada rentang

ketebalan 1 μm – 5 μm (pada penelitian ini).

Adanya penyinaran oleh sumber cahaya pada permukaan sampel akan

meningkatkan pasangan elektron-hole. Pasangan elektron-hole akan terpisah oleh

medan listrik yang kemudian akan berkontribusi terhadap peningkatan arus

(Rahmawati, 2011). Oleh karena itu, pada gambar 4.7 terlihat adanya peningkatan

I sc = 0,00008

V oc = 0,389463


commit to user

54

arus ketika sampel dalam kondisi terang dibandingkan dengan kondisi gelap.

Namun kondisi berbeda ditemui pada sampel (b), pada sampel (b) grafik antara

kondisi terang dan gelap yang dihasilkan berhimpit. Hal tersebut dikarenakan

kekuatan mekanik dari lapisan TiO2 masih lemah, mudah lepas dari FTO

sehingga kualitas sampel (b) kurang baik.

Gambar 4.8. Kurva karakteristik arus – tegangan saat gelap dan terang.

Sesuai dengan gambar 4.8 maka kurva I – V yang dihasilkan dari pengujian

dengan Keithley 2602 A dapat ditentukan ditentukan nilai arus short circuit (Isc),

tegangan open circuit (Voc), fill factor (FF), dan efisiensinya. Hasil pengukuran Isc

dan Voc serta FF dan efisiensi disajikan dalam tabel 4.3.

Tabel 4.3. Hasil Pengukuran Arus – Tegangan Sistem Sel Surya Berbasis

Sensitizer Ekstrak Antocyanin Bunga Sepatu dengan Keithley.

Sampel Isc

(A)

Voc

(V)

FF EF

(%)

A 0,000051 0,2839172 0,376 1,6 x 10-3

B - - - -

C 0,000056 0,374379 0,399 2,4 x 10-3

D 0,000080 0,389463 0,335 3,0 x 10-3


commit to user

55

Karena kondisi dari sampel B yang kurang baik dan kurva I-V yang dihasilkan

tidak sesuai dengan gambar 4.7, maka nilai Isc, Voc, FF, maupun EF tidak dapat

ditentukan. Namun demikian dari hasil yang disajikan pada tabel 4.3 sudah bisa

diketahui bahwa efisiensi sel surya meningkat seiring dengan bertambahnya

ketebalan lapisan TiO2. Secara umum kesimpulan dari hasil pengujian

karakteristik arus – tegangan dengan Keithley maupun dengan rangkaian sama.

Hanya saja, penggunaan Keithley dirasa lebih efektif dibanding dengan rangkaian.


commit to user

56

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. KESIMPULAN

1. Telah selesai difabrikasi prototipe sel surya berbasis Titanium Dioksida (TiO2)

dengan ekstrak antocyanin bunga sepatu (Hibiscus rosa sinensis L) sebagai

fotosensitizer.

2. Ekstrak antocyanin dari bunga sepatu memiliki spektrum serapan dari rentang

panjang gelombang 450 nm – 580 nm, dengan puncak absorbansi maksimum

(λmaks) sekitar 520 nm. Sehingga ekstrak antocyanin dari ekstrak bunga

sepatu dapat diaplikasikan sebagai fotosensitizer dalam DSSC karena mampu

menyerap cahaya tampak.

3. Pengujian efisiensi sampel sel surya dilakukan dengan rangkaian dan Keithley

dengan variasi ketebalan pada lapisan TiO2. Dari pengujian menggunakan

rangkaian dengan ketebalan sampel (1,3 ± 0,6) μm; (2,7 ± 0,4) μm, (3,8 ± 0,4)

μm; dan 4,8 ± 0,3 μm diperoleh efisiensi berturut – turut 1,8 x 10-4

%, 2,0 x

10-4

%, 2,2 x 10-4

% dan 2,5 x 10-4

%. Sementara dari pengujian menggunakan

Keithley dengan ketebalan sampel (2,9 ± 0,4) μm; (3,9 ± 0,4) μm , dan (4,7 ±

0,3) μm diperoleh efisiensi berturut – turut adalah 1,6 x 10-3

%, 2,4 x 10-3

%,

dan 3,0 x 10-3

%. Hasil tersebut menunjukkan bahwa semakin tebal lapisan

TiO2 maka efisiensinya juga meningkat, hal ini disebabkan karena ketebalan

elektroda TiO2 terkait dengan kapasitas menyimpan dye, semakin tebal lapisan

berarti dye yang tersimpan juga akan semakin banyak.

5.2. Saran

1. Penelitian tentang sensititasi dye alami ekstrak bunga sepatu perlu

dilakukan pengujian dengan perbedaan konsentrasi pada larutan ekstrak

dye.


commit to user

57

2. Diperlukan adanya penelitian lebih lanjut tentang perbandingan metode

pembuatan lapisan TiO2 agar diperoleh ketebalan yang sama saat

pengulangan pembuatan lapisan dengan rentang ketebalan yang lebar.

3. Perbandingan penentuan ketebalan dengan metode by weight perlu

dibandingkan dengan SEM.

4. Perlu dilakukan kajian lebih lanjut untuk menghasilkan interaksi yang kuat

antara lapisan TiO2 dan kaca TCO.

5. Pengujian pada rentang ketebalan lebih besar perlu dilakukan untuk

mengetahui pengaruh mobilitas muatan yang melintasi sistem sehingga

didapatkan ketebalan optimun guna peningkatan efisiensi sel surya.


commit to user

Documents

EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU …...i EKSTRAK ANTOCYANIN BUNGA SEPATU (Hibiscus rosa sinensis L) SEBAGAI FOTOSENSITIZER PADA SEL SURYA