tio 2 nanostruktur sebagai fotoanoda sel surya tersensitisasi zat warna alam (natural dye-sensitized...
Post on 14-Dec-2015
242 Views
Preview:
TRANSCRIPT
TiO2 Nanostruktur sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitisasi Zat Warna
Alam (Natural Dye-Sensitized Solar Cell,
nDSSC )
Dr. Indriana Kartini
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Teknologi sel surya dewasa ini
1. Generasi I: berbasis silikon (c-Si, a-Si, poli-Si)
3. Generasi III: dye-sensitised solar cell (DSSC, sel surya fotoelektrokimia)
2. Generasi II: lapis tipis material semikonduktor (GaAs, CdTe, CuInSe2 )
4. Generasi IV: quantum-dot (PbS, PbSe, CdS, CdSe)
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6, 91-109
Perbandingan teknologi fotovoltaik (PV)
Bulk cystalline Si remains dominant
Different technology comparison in efficiency & cost
World PV module production in 2003
main technologies available: single & multi- crystalline Si, a-Si, CuInSe2, CdTe
M. Grätzel, “Photoelectrochemical cells,” Nature, 414, 338 (2001)
Sel Surya Tipe DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) sangat prospektif untuk dikembangkan sebagai model sel surya masa depan
Keunggulan DSSC
• Mudah diproduksi • Unjuk kerja energi listrik
lebih tinggi• Mempunyai konfigurasi dua
muka – menguntungkan saat cahaya terhamburkan
• Warna sel dapat divariasi (tergantung warna sensitiser)
• Dapat digunakan untuk power window (kaca transparan)
Aisi, Seiki, Toyota R&D
Building integrated
Silicon Façade System at the University of Melbourne, Australia
Series connected 64 DSC cells
DSC Façade System at the CSIRO Energy Centre Newcastle, Australia
Dye-Sensitized Solar Cells
Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6, 91-109
Published in: Hiroshi Imahori and Tomokazu Umeyama; J. Phys. Chem. C 2009, 113 (21). DOI: 10.1021/jp9007448, Copyright © 2009 American Chemical Society
Workshop Advanced Material 114-15 Oktober 2009 2009 indriana@ugm.ac.id
From Nature to learn
Photosynthesis (Energy Production
from Nature)
Artificial Photosynthesis
(Energy from Nature)
Artificial Photosynthesis
• Metode konversi energi surya yang menerapkan aspek-aspek strategi atau desain alam atau bahan alam atau semua aspek tersebut
Strategi Bahan Alam
Fotoinduksi transfer elektron via membran
• Zat warna klorofil
• Mediator transfer elektron
Bagaimana ?
Image found at http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell
Basic DSSC Layers:
1. Kaca konduktif (Glass coated with fluorine-doped tin oxide, FTO/ITO)
2. Titanium dioxide layer (n-type semiconductor)
3. Ruthenium dye4. Electrolyte solution5. Kaca konduktif
berlapis platinum
DSSC: prinsip kerja
hn
e--
1
2
7
8
3
5
1-2-3-4-5-6 desired pathway
Semiconductor oxide
Dye Redox couples Counter electrode
e- e-External load
4
D*
D/D+
I-/I-3
9
VB
CBEF
ERedox
e-
E vs vacuum(eV)
-7.0
-5.6
-5.0
-3.8
TCOPt/TCO
6
7 8 9 recombination pathways
TiO2: anatase Eg = 3.2 eV; rutile Eg = 3.05 eV
Image from Ind riana Kartini PhD thesis, 2004
dynamic competition
electron transpor
loss
mec
han
ism
who is the winner ?
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
• Komponen– Material Transfer Elektron
• bahan semikonduktor tipe-n• TiO2 nanopartikulat
• Komponen– Material Transfer
Hole• bahan
semikonduktor tipe-p
• elektrolit redoks (I3
- /I-)
• polimer konduktif
– Zat warna• kompleks
ruthenium (bipy)3• porfirin• antosianin
Dye-sensitized solar cells (DSSCs)
dye molecules
fotoanoda
fotokatoda
Kurva I-V Parameter Sel Surya:
1. Open-circuit Voltage, VOC
2. Short-circuit current, ISC
3. Fill factor, FF
FF = (Imax Vmax)/(ISC VOC)
h = (ISC VOC FF)/Pinput
DSSC: Evaluasi Unjuk kerja
Benchmark: Efisiensi global 10%, semikonduktor= titania koloid, sensitiser = Ru”black-dye”, FF=0.704, VOC=0.72V, ISC=20.53 mA/cm2, Pmax=1.94 mW, luas bagian aktif= 0.1863 cm2 (J. Am. Chem.Soc. 2001, 123, 1613)
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Grätzel Cell• Output optimum
– Short circuit current, ISC ~ 20 mA/cm2
– Open circuit voltage, VOC ~ 0,7 V
– Quantum yield ~ 1– Efisiensi konversi ~ 11%
dye: kompleks Ruthenium
!!! Komponen zat warna : logam toksik
Natural DSSCs
• Output optimum– Short circuit current,
JSC ~ 1,83 mA/cm2
– Open circuit voltage, VOC ~ 0,65 V
– Efisiensi konversi ~ 0,68%
HOMO
LUMO
phorphyrin
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
1. Rekayasa fotoanoda berstruktur nano
2. Rekayasa natural dyes co-sensitisasi, surface
Sensitiser
Syarat :• be panchromatic, i.e. absorb visible light of all
colors, high extinction coefficient.• be firmly grafted to the semiconductor oxide
surface and inject electrons into the conduction band with a quantum yield of unity.
• possess suitable ground- and excited state redox properties (0.5 and -0.8 V vs.SCE)
• exhibit thermal and photochemical stability• environmentally friendly
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Natural dyes : zat warna batik
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
VOC ~95 mVISC ~0,4 A
Natural dyes : klorofil alga
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
-0.14
-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
-10 5 20 35 50 65
V (mV)
I (μ
A)
light SmSetchelldark
light He Bory0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
200 300 400 500 600 700 800
wavelength (nm)
ab
so
rba
nc
e
methanol extract
on titania f ilm
Sargassum mclurei Setchell
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
200 300 400 500 600 700 800
wavelength (nm)
ab
so
rba
nc
e
methanol extract
on titania f ilm
Hypnea espery Bory
VOC ~60 mVISC ~0,14 A
TiO2 solar cell (with anthocyanin dye extracted from hard
pericarp of mangosteen fruit)
Generating Current = 0,025 µA
Generating Voltage = 100 mV
Kartini et al., Asian J. Chem., 22(6), 2010,
4501-4510
FotoanodaSyarat:
1. Berpori dan Luas permukaan besar adsorpsi monolayer zat warna efisien
2. Tersusun atas fasa kristalin fotoaktif, efisien band gap
3. Partikel berdimensi dan berstruktur nano efisien transpor elektron
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
nanoparticles nanowires nanotubes hybrid aggregates
efisiensi ~ 10-11%
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Thermally synthesized titania
VOC ~22 mVISC ~1,1 ADye tegeran
Widiyanti A., Triyana, K., Kartini, I, 2007
SBET ~161 m2/gD101(A) ~5,3 nmLow crystallinity
Mesoporous titania
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
0
0.03
0.06
0.09
0.12
0.15
0.18
0 100 200 300 400 500bias (mV)
J (m
Acm
-2)
acid route-acid treated
P25-acid treateda
b
b
a
a
Kartini et al., J. Mater. Chem., 2004, 14, 2917
VOC ~450 mVISC ~ 0,1 mADye Ru-N3
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Bias (mV)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
J(m
Acm
2 )
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
neutral route untreatedacidic route acid treated
B
Mesoporous titania
Indriana Kartini , a PhD Thesis, The University of Queensland, Brisbane, 2004
VOC ~700 mVISC ~ 12 mADye Ru-N3
Route to TiO2 nanotubes
Lapis tipis ZnO nanorod
Metode : hidrotermal pada 110 oC, t = 20 menitPrekursor : seng nitrat dan NaOH
Substrat kaca terlapis seed layer ZnO
Lapis tipis TiO2 nanotube
Karakterisasi : XRD, SEM , TEM dan Spektrofotometer UV-Vis
Karakterisasi : XRD, SEM ,TEM dan Spektrofotometer UV-Vis
Teknik deposisi fasa cairPrekursor : TiO2 P25
Teknik sol-gelPrekursor : TTIP
Variasi frekuensi pencelupan
Lapis tipis TiO2 nanotube tersensitisasi zat warna
Karakterisasi : Spektrofotometer UV- Vis dan I-V sel surya
Preparasi cetakan ZnO nanorod
Deposisi TiO2
Konstruksi sel surya
Zat warna ekstrak kulit manggis
DSSC
Elektrolit Elektroda lawan
Substrat kaca
Pemanasan
130 oC, 2 jam180 oC, 1 jam260 oC, 2 jam
Proses hidroterm
al
110 oC 20
menit
Kaca terlapis seed layer ZnO
Deposisi seed layer
0,01 M Zn(CH3COO)2.2H2
Odalam etanol
Kaca terlapis seed layer ZnO
Lapis Tipis ZnO nanorod berorientasi
vertikal
Tahap I: Preparasi ZnO seed layer
Tahap II: Preparasi ZnO nanorod
Sintesis lapis tipis ZnO nanorod
Pencucian
0,03 M Zn (NO3)2. 4H2O ) + 0,8 NaOH dalam akuabides
Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik deposisi fasa cair
0,38 M TiO2 P25dalam HF 5 %
T kamar2 jam
Lapis Tipis ZnO-TiO2Lapis Tipis
ZnO nanorod
Lapis Tipis ZnO - TiO2
H3BO3 0,5 M
1 jam
Lapis Tipis TiO2 nanotube
Pendeposisian
Pelarutankalsinasi
550 oC 1 jam
Lapis Tipis ZnO -TiO2
Pelarutan
HCl 3 % (v/v)5 detik
Lapis Tipis TiO2 nanotube
kalsinasi
550 oC 1 jam
Lapis Tipis ZnO nanorod
Pendeposisian
TiO2 sol
dip coating
Pemanasan
100 oC10 menit
Variasi frekuensi pencelupan
Lapis Tipis ZnO -TiO2
Tahap II: Preparasi TiO2 nanotube
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
-150
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
50
TiO2-NTPoly-nomial (TiO2-NT)
V (mV)
I
(µA
)
Titania nanoparticle-nanotube
Evana & Kartini, a master Thesis, 2013
100 nm
VOC ~450 mVISC ~ 0,125 mADye antosianin manggis
• Sistem nDSSC densitas listrik rendah – sedang
• Unjuk kerja nDSSC dapat ditingkatkan dengan :– Optimasi komposisi zat warna alam– Optimasi struktur nano semikonduktor
fotoanoda
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
Kesimpulan
Terima kasih atas hibah riset: Kementerian Riset dan Teknologi Indonesia 2005 (RUT XII)IFS (International Foundation for Science, Sweden) 2006-2012, UGM Award 2006, ITSF (Indonesia Toray Science Foundation) 2009DP2M Dikti (Hibah Bersaing 2007-2008, Hibah Kompetensi 2008-2009)
Terima kasih yang tak terhingga juga untuk segenap mahasiswa yang berdedikasi: studi S1 (Septina, Ma’ruf, Anis, Ismu, Erma, Zul, Sri, Evana, Nadia, Isti, Cahyani, Intan, Fathah, Anton, Susilo, Canggih, Wuri, Fenny, Faizatun), studi S2 (Annissa, Tri Sejati, Ari, Wuri, Evana, Irfan) dan studi S3 (Sayekti, Cahyorini) serta counterpart (Dr. Ir. Akhmad Herman Yuwono (UI); Dr. Kuwat Triyana, Dra Chotimah, MSi. (Fisika UGM); Dr. Tutik D. Wahyuningsih, Dr.Tri J Raharjo, Dr. Yateman Arryanto, Dr. Respati TS (Kimia UGM) yang telah mendukung pelaksanaan penelitian DSSC sejak 2005 sampai sekarang.
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 indriana@ugm.ac.id
top related