sidang tugas akhir analisa pengaruh komposisi … · analisa pengaruh komposisi graphene-tio 2...

SIDANG TUGAS AKHIR

ANALISA PENGARUH KOMPOSISI GRAPHENE-TiO2 TERHADAP UNJUK KERJA DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(DSSC)OLEH: Indera Cahya Pradana (2711100053)

DOSEN PEMBIMBING: Diah Susanti, S.T.,M.T.,Ph.D.

LABORATORIUM KIMIA MATERIAL

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

• Rumusan Masalah

• Batasan Masalah

• Tujuan Penelitian

• Tinjauan Pustaka

• Penelitian Sebelumnya

• Alat- alat percobaan

• Bahan-bahan PercobaanPenelitian

Tinjauan PustakaPendahuluan Metodologi

• Hasil UV-Vis

• Hasil XRD

• Hasil SEM

• Hasil Keithley

Analisa Data dan

Pembahasan

Kesimpulan danSaran

PENDAHULUAN

Faktanya....

“Saat ini, 89,5% pembangkit tenaga listrik di Indonesia menggunakan energi fosil.”

(Rohi, 2008).

Rumusan Masalah

• Bagaimana pengaruh komposisi material komposit Graphene-TiO2 sebagai material semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) terhadap unjuk kerja DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)?

• Bagaimanakah proses pembuatan prototype DSSC dalam skala laboratorium untuk mengkonversi secara maksimal energi cahaya matahari menjadi energi listrik?

Batasan Masalah• Serbuk TiO2 yang digunakan memiliki struktur kristal anatase.

• pH dan konstentrasi larutan dye ekstrak buah terung belanda adalah konstan.

• TiO2 dan Graphene yang dilapiskan pada kaca FTO menggunakan teknik spin coating.

• Temperatur holding pada proses kalsinasi adalah tetap.

• Pengotor serbuk diabaikan

• Ukuran serbuk Grafit, bahan sintesa Graphene dianggap sama

• Kecepatan stirring dari magnetic stirrer pada saat sintesis graphene dianggap konstan

Tujuan Penelitian

• Menghasilkan prototype DSSC yang dapat mengkonversi secara maksimal energi sinar matahari menjadi energi listrik dengan variasi komposisi material komposit Graphene-TiO2 sebagai material semikonduktor, dengan menggunakan larutan dye dari ekstrak bunga Geranium.

DASAR TEORI

Grafit

Sifat Satuan Grafit

Massa jenis

Modulus elastisitas

Kekuatan

Resitivitas

Konduktivitas

termal

g cm-3

TPa

GPa

μΩ cm

W m-1 K-1

2.26

1

130

50

300

Tabel Sifat mekanik grafit (Sengupta dkk,

2011)

Struktur lapisan grafit yang menunjukkan hibridisasi sp2 atom karbonberikatan dalam cincin heksagonal (Sengupta dkk, 2011)

Grafit Oksida

Grafit oksida memilikistruktur seperti grafit,namun terdapat gugus-gugus fungsi.

Model struktur grafit oksida (Szabo dkk, 2006)

Graphene

Struktur graphene yang berbentukheksagonal, menyebabkangraphene memiliki sifat yang baikantara lain mobilitas muatan yangtinggi (230,000 cm2/V·s) dengan2.3% kemampuan penyerapancahaya, konduktivitas termal yangtingi (3000 W/m·K), kekuatan tariktertinggi (130 GPa), dan luaspermukaan terbesar (2600 m2/g)(Singh dkk, 2011).

Permukaan graphene (Mauricio dkk, 2010)

Sintesis Graphene

Beberapa metode sintesis grapheneyang umum antara lainmicromechanical dan chemicalexfoliation dari grafit, reduksi GO,epitaxial growth di atas SiC, danchemical vapor deposition (CVD) diatas logam transisi. Diantara prosessintesis tersebut, metode reduksi GOmerupakan metode yang disarankanuntuk produksi graphene secaramasal.

Oksidasi Grafit danReduksi grafit oksida

Metode Hydrothermal• Dalam penelitiannya, Zhou dkk (2009)

menyatakan bahwa dengan metodehydrothermal dehydration yang mudah,bersih, dan terkontrol dapat mengubahgraphene oksida menjadi larutangraphene yang stabil.

• Keunggulan proses hydrotermaldikemukakan oleh Jang-Hoon dkk (2008)yaitu proses sintesis mudah,pengontrolan bentuk dan ukuran serbuk,temperatur operasi yang rendah,homogenisasi tinggi, dan biayaoperasional rendah.

Klasifikasi Sel Surya

Dye-sensitized Solar Cell

Prinsip Kerja Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

• Eksitasi elektron padamolekul dye

• Elektron terinjeksi ke pitakonduksi ZnO sehinggamolekul dye teroksidasi

• Elektron yang telah dialirkanmelalui rangkaian eksternalkembali ke FTO yang dilapisicounter elektroda Pd/Au

• Reaksi reduksi membuat dyekembali ke ground state.Pada elektrolit terjadi reaksireduksi I3ˉ kembali ke Iˉ,sehingga mendonorkanelektron agar kembalitereksitasi

• Siklus transport elektron,terjadi konversi energi sinarmatahari ke energi listrik

Unjuk Kerja Sel Surya

FF: Fill Factor (%)η : Efisiensi (%) IPmax : Arus pada saat daya maksimum (mW)VPmax : Tegangan pada saat daya maksimum (mV)ISC : arus short

circuit

VOC : tegangan open circuitPIN :daya masukan (mW)PMAX :daya maksimal (mW)

Semikonduktor TiO2

Dye

Ekstrak dengan konsentrasi 13:50 antara bahan dye

dengan pelarut. pelarut sebanyak 50 ml yang meliputi 21ml ethanol, 4 ml asam asetat (CH3COOH), dan 25 mlaquades (Yuliarto dkk, 2010).Ekstrak dihaluskan. Setelah halus, masing-masingditambahkan 21 ml ethanol, 4 ml asam asetat(CH3COOH), dan 25 ml aquades lalu diaduk sampai rata.Kemudian diamkan selama 24 jam untuk mendapatkanhasil ekstraksi yang maksimal. Setelah didiamkan selama24 jam, lalu disaring dengan menggunakan kassa steriluntuk mendapatkan larutan dye-nya.

Elektrolit

• Berfungsi sebagai penghasil reaksi redoks dalam sistem photoelectrochemical. Elektrolit yang digunakan terdiri dari pasangan iodine (I-) dan triiodide (I3

-) sebagai redoks dalam pelarut.

Penelitian Sebelumnya Mengenai Kompositisasi Graphene- TiO2

• Tsai, dkk. (2011)

Dengan variasi komposisi 0; 0,01; 0,1; 1; 10%wt Graphene, Dye: Methyl Orange. Hasil: Efisiensi tertinggi pada 1% wt Graphene sebesar 6,86%

• Shu, dkk. (2013)

Dengan variasi komposisi 0; 0,10; 0,25; 0,25; 0,5; 0,75; 1%wt Graphene, Dye: N719. Hasil: Efisiensi tertinggi pada 0,75wt Graphene sebesar 5,5%

Penelitian Sebelumnya Sintesis Graphene

Penelitian Sebelumnya Mengenai DSSC

METODOLOGI

Diagram Alir Sintesis Grafit Oksida

Diagram Alir Sintesis Graphene

Diagram Alir PreparasiDye DSSC

Diagram Alir Preparasi Fotoelektroda DSSC

Diagram Alir Perangkaian DSSC

Diagram Alir Pengujian

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Spektrum Cahaya

UV-Vis

Panjang Gelombang Absorbansi Spektrum

335 4.691 Ultraviolet

540 3.638 Hijau

Dye Puncak Kedua (Rentang Cahaya Tampak)

Wavelength (nm) Absorbance

Geranium (Geranium sylvaticum)

565 3,738

Bawang Merah(Allium ascalonicum)

520 0,602

Bunga Kayuputih(Melaleuca leucadendron)

395 3,966

Daun Pucuk Merah(Oleina Syzygium)

- -

Daun Sirih Merah(Piper crocatum)

655 0,37

Perbandingan Absorbansi

• Nafi (2013) dye ekstrak daging terung belanda (Solanum betaceum) absorbansi 3,720 pada wavelength 495 nm.

• Prasetya (2012) dye dari ekstrak daging terung belanda (Solanum betaceum) absorbansi 4,036 pada wavelength499 nm.

• Nadeak (2012) dye dari ekstrak buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) absorbansi 3,300 pada wavelength 538 nm.

XRD Grafit, Grafit Oksida, Graphene

Sampel 2ϴ (o) FWHM d-spacing (Å)

Grafit 26,4866 0,1004 3,36527

Grafit Oksida 13,66 2,2059 7,4168

Graphene 25,6505 0,4015 3,47302

Analisa XRD

• Nilai dspacing untuk grafit oksida > dspacing grafit → → adagugus- gugus fungsi oksigen

• Nilai dspacing untuk grafit oksida > dspacing graphene → grafit oksida telah tereduksi menjadi graphene, pengelupasan lapisan grafit oksida menjadi single layer graphene

(Hae-Mi 2010)

XRD DSSC

Grafit

GrapheneGrafit Oksida

Scanning Electron Microscope (SEM) Perbesaran 5000x

Citra Scanning Electron Microscope (SEM) DSSC TiO2 Perbesaran 5000x untuk:

a.0% wt graphene

b.5% wt graphene

c.10% wt graphene

d.15% wt graphene

I-V Measurement

0% graphene 5% graphene

10% graphene

15% graphene

Sampel Isc (mA) Voc (mV) Pmax (mW) FF η (%)

0% 0,00148 220,314 4,21 x 10-4 0,36 0,00042

5% 0,00344 189,839 32,6 x 10-4 0,65 0,00326

10% 0,01305 595,198 52,3 x 10-4 0,69 0,00532

15% 0,00509 265,259 8,15 x 10-4 0,60 0,00082

Tren Penambahan Graphene Terhadap Efisiensi DSSC

KESIMPULAN

• Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) berhasil difabrikasi menggunakanmaterial semikonduktor TiO2 yang dikompositkan dengangraphene dan dye dari ekstrak bunga geranium. DSSC dapatmengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrikdengan hasil paling maksimal pada variasi 10 wt% graphenedengan efisiensi 0,00532%, daya maksimal (P max ) 52,3 X 10-4 W;dan fill factor sebesar 0,69

• Variasi komposisi 10%wt graphene merupakan komposisi yangpaling optimal untuk menghasilkan performa DSSC yangmaksimal. Apabila penambahan dilakukan melebihi jumlahkomposisi tersebut, graphene akan menghalangi prosespenghantaran charge dan absorbsi dye sehingga menurunkanefisiensi DSSC.

SARAN

• Menggunakan pengujian BET untukmengetahui luas permukaan aktif elektrodakerja berbahan dasar komposit TiO2-graphene

DAFTAR PUSTAKA

• Fang, X., Li, M., Guo, K., Liu, X., Zhu, Y., Sebo, B., Zhao, X., 2014. Graphene-compositing optimization of the properties of dye-sensitized solar cells. Solar Energy, 101, pp.176-181.

• Foster, R., Ghassemi, M. & Cota, A., 2010. Solar Energy Renewable Energy and The Environment. Florida: CRC Press.

• Goetzberger, A. & Hoffman, V. U., 2005. Photovoltaic Solar Energy Generation. New York: Springer.

• Gong, S., Liu, B., 2012. Electronic structures and optical properties of TiO2: Improved density-functional-theory investigation. Chin. Phys. B, 21 (5), pp.1-7.

• Gratzel, M., 1998. Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. Journal of Chemical Education. 75 (6), pp.752-756.

• Handini, W., 2008. Performa Sel Surya Tersensitasi Zat Pewarna (DSSC) Berbasis ZnO dengan Variasi Tingkat Pengisian dan Besar Kristalit TiO2. Skripsi S1. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Universitas Indonesia.

• Kreider, J. F. & Kreith, F., 1978. Principles of Solar Engineering. Washington DC: Mc Graw Book Company.

• Maddu, A., Zuhri, M., Irmansyah, 2007. Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah Sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye. Makara Teknologi. 11 (2), pp.78-84.

• Nadeak, S., Susanti, D., 2012. Variasi Temperatur dan Waktu Tahan Kalsinasi Terhadap Unjuk Kerja Semikonduktor TiO2 Sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Dye dari Ekstrak Buah Naga Merah. Tugas Akhir S1, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

• Nafi, M., Susanti, D., 2013. Aplikasi Semikonduktor ZnO dengan Variasi Temperatur dan Waktu Tahan Kalsinasi Sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Dye dari Ekstrak Buah Terung Belanda (Solanum betaceum). Tugas Akhir S1, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

• Omar, A. & Huda A., 2013. Electron Transport Analysis in Zinc Oxide-Based Dye-Sensitized Solar Cells: A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 31, pp.149-157.

• Phani G., Tulloch, G., Vittorio, D. & Skyrabin, I., 2001. Titania Solar Cell: New Photovoltaic Technology. Renewable Energy. 22, pp.303-309.

• Rahman, A., 2009. Pengaruh Tingkat Kekristalan TiO2 pada Tegangan Terbuka Sel Surya Tersensitisasi Pewarna Berbasis ZnO – TiO2. Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

• Septina, W., 2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye Sensitized Solar Cell). Laporan Akhir Penelitian Bidang Energi, Institut Teknologi Bandung.

• Subodro, R., Sunaryo, 2013. Ekstraksi pewarna bahan antosianin kulit Terong Ungu sebagai pewarna alami pada sel surya dye-sensitized Solar Cell (DSSC). Politeknosains, 9 (2), pp.74-83.

• Shu, W., Liu, Y., Peng, Z., Chen, K., Zhang, C., Chen, W., 2013. Synthesis and photovoltaic performance of reduced graphene oxide- TiO2 nanoparticles composites by solvothermal method. Journals of Alloys and Compounds, 563, pp.229-233.

• Tsai, T., Chiou, S., Chen, S., 2011. Enhancement of Dye-Sensitized Solar Cells by using Graphene- TiO2 Composites as Photoelectrochemical Working Electrode. International Journal of Electrochemical Science, 6, pp. 3333 - 3343.

• Tuominen, A., 2013. Defensive strategies in Geranium sylvaticum, Part 2: Roles of water-soluble tannins, flavonoids and phenolic acids against natural enemies. Phytochemistry,95, pp.408–420.

• Wongcharee, K., Meeyoo, V., Chavadej, S., 2007. Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from rosella and blue pea flowers. Solar Energy Materials and Solar Cells.91, pp.566-571.

• Young & Freedman, 2008. Sears and Zemansky’s University Physics Vol. 2. 13th ed.California: Pearson Education.

• Yuliarto, B., 2006. Energi Surya: Alternatif sumber energi masa depan Indonesia. Berita Iptek.