APLIKASI SENYAWA KOMPLEKS SIKLOMETAL IRIDIUM DALAM OLEDs

DAN DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)

Aditya Cahya Nugraha

Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Semarang

Abstrak

Energi merupakan salah satu masalah utama yang dihadapi oleh hampir seluruh

negara di dunia. Ketergantungan terhadap energi fosil menyebabkan beberapa

ancaman serius antara lain menipisnya cadangan energi serta ketidakstabilan harga

akibat laju permintaan yang semakin besar. Solar cell adalah salah satu sumber energi

yang memanfaatkan cahaya matahari.

Semikonduktor yang dipakai untuk solar cell ternyata dapat diikatkan dengan suatu

senyawa kompleks organologam seperti Siklometal Iridium sehingga proses

penyerapan cahaya matahari lebih optimal atau DSSC. Senyawa Siklometal Iridium juga

merupakan salah satu komponen penting dalam pembentukan energi listrik pada sel

fotovoltaik dan perubahan listrik menjadi cahaya atau pembentukan cahaya didalam

diode emisi cahaya (Organic light-emitting diodes/ OLEDs) diketahui dapat

dimanfaatkan dalam OLEDs yaitu piranti penting dalam teknologi elektroluminensi.

Pemilihan logam iridium didasarkan karena logam ini memiliki

geometri oktahedral, photophysical dan sifat elektrokimia dari kompleks iridium yang

dapat diatur dengan cara yang dapat diprediksi. Selain itu juga, logam iridium diketahui

memiliki oksidasi stabil dan pada kompleksnya memiliki triplet tertinggi hasil kuantum

Kata kunci : Energi, solar cell, senyawa kompleks organologam.

BAB 1

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Energi merupakan salah satu masalah utama yang dihadapi oleh hampir

seluruh negara di dunia. Hal ini mengingat bahwa energi merupakan faktor utama

bagi pertumbuhan ekonomi suatu negara. Permasalahan energi menjadi semakin

kompleks ketika kebutuhan akan energi semakin meningkat yang justru akan

membuat persediaan cadangan energi konvensional seperti energi fosil semakin

sedikit jumlahnya.

Ketergantungan terhadap energi fosil menyebabkan beberapa ancaman

serius antara lain menipisnya cadangan energi serta ketidakstabilan harga akibat

laju permintaan yang semakin besar. Energi fosil terdiri atas minyak bumi, gas

alam, dan batubara. Dimana sifat dari energi fosil yang tidak ramah lingkungan ini

memberikan sumbangan yang besar terhadap terjadinya pemanasan global akibat

emisi gas CO2 yang dihasilkan.

Pemanfaatan energi terbarukan seperti air, panas bumi, energi angin dan

energi surya (matahari) saat ini sudah mulai dilirik, namun baru energi air dan

panas bumi yang sedang dikembangkan secara komersial. Penggunaan sumber

energi terbarukan merupakan salah satu alternatif yang dapat digunakan untuk

mewujudkan program sustainability lingkungan.

Energi terbarukan seperti matahari merupakan sumber energi utama yang

memancarkan energi yang luar biasa besarnya ke permukaan bumi. Solar cell

adalah salah satu sumber energi yang memanfaatkan cahaya matahari. Solar cell

merupakan pembangkit listrik yang mampu mengkonversi sinar matahari menjadi

arus listrik. Energi matahari sesungguhnya merupakan sumber energi yang paling

menjanjikan, mengingat sifatnya yang berkelanjutan (sustainable) serta jumlahnya

yang sangat besar.

Matahari merupakan sumber energi yang diharapkan dapat mengatasi

permasalahan kebutuhan akan energi masa depan setelah berbagai sumber

energi konvensional mengalami perkurangan jumlah dan sifatnya yang tidak

ramah terhadap lingkungan. Total kebutuhan energi yang berjumlah 10 TW

tersebut setara dengan 3 x 1020 J setiap tahunnya. Sementara total energi

matahari yang sampai di permukaan bumi adalah 2,6 x 1024 Joule/tahun. Sebagai

perbandingan, energi yang dapat dikonversi melalui proses fotosintesis di seluruh

permukaan bumi mencapai 2,8 x 1021 J setiap tahunnya. Jika dilihat dari jumlah

energi yang dibutuhkan dan dibandingkan dengan energi matahari yang tiba di

permukaan bumi, maka sebenarnya dengan menutup 0,05% luas permukaan bumi

dengan solar cell yang memiliki efisiensi 20%, seluruh kebutuhan akan energi yang

ada di bumi sudah dapat terpenuhi (Yuliarto, 2011).

Silikon (Si) adalah semikonduktor yang biasa digunakan pada solar cell.

Namun karena harganya yang mahal, sehingga solar cell ini tidak menjadi

alternatif sebagai pengahasil energi yang murah. Senyawa kompleks memiliki

keunikan yaitu dapat menghasilkan warna sesuai dengan panjang gelombang

yang diserapnya dan warna yang sampai ke penglihatan kita merupakan warna

komplemennya. Semikonduktor yang dipakai untuk solar cell ternyata dapat

diikatkan dengan suatu senyawa kompleks sehingga proses penyerapan cahaya

matahari lebih optimal. Proses ini dinamakan dengan sel surya yang tersinsitasi

zat pewarna (DSSC).

Dalam pengembangannya, DSSC memanfaatkan senyawa kompleks

organologam sebagai Adsorbed photosensitizer dye. Senyawa kompleks jenis ini

memiliki keunikan diantaranya dapat menghasilkan warna sesuai dengan panjang

gelombang yang diserap dan warna yang sampai ke penglihatan merupakan

warna komplemennya. Semikonduktor yang dipakai untuk solar cell ternyata dapat

diikatkan dengan suatu senyawa kompleks sehingga proses penyerapan cahaya

matahari menjadi lebih optimal. Selain itu juga, senyawa kompleks organologam

diketahui dapat dimanfaatkan dalam OLEDs yaitu piranti penting dalam teknologi

elektroluminensi. Teknologi tersebut memiliki dasar konsep pancaran cahaya yang

dihasilkan oleh piranti akibat adanya medan listrik yang diberikan.

Senyawa kompleks organologam seperti Siklometal Iridium diketahui

merupakan salah satu komponen penting dalam pembentukan energi listrik pada

sel fotovoltaik dan perubahan listrik menjadi cahaya atau pembentukan cahaya

didalam diode emisi cahaya (Organic light-emitting diodes/ OLEDs). Senyawa

kompleks ini diperlukan dalam transformasi, menyimpan dan menjaga efisiensi

produksi energi. Sifat fisika dan kimia yang dimiliki senyawa kompleks

organologam ini diketahui mudah sekali diatur (fined-Solar Cell OLEDs tuned),

sehingga dengan melakukan variasi struktur kimianya maka dapat

menghasilkan material terbaik yang dapat digunakan untuk mengkonversi energi.

Tujuan

1. Mengetahui manfaat senyawa kompleks Siklometal Ir (III) dalam kehidupan

sehari-hari.

2. Mengetahui prinsip kerja OLEDs dan DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)

dengan senyawa kompleks Siklometal Ir(III) .

Manfaat

1. Dapat memanfaatkan senyawa kompleks Siklometal Ir (III) dalam kehidupan

sehari-hari.

2. Dapat mengembangkan senyawa kompleks Siklometal Ir (III) sebagai OLEDs

dan DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)

BAB II

ISI

Kompleks siklometal iridium adalah salah satu contoh senyawa organologam

yang dipelajari dan digunakan pada solar cell dan OLEDs. Kompleks siklometal

iridium (III) ini sendiri merupakan dopan yang sangat efisien untuk diaplikasikan dalam

OLEDs. Pemilihan logam iridium didasarkan karena logam ini memiliki

geometri oktahedral, photophysical dan sifat elektrokimia dari kompleks iridium yang

dapat diatur dengan cara yang dapat diprediksi. Selain itu juga, logam iridium diketahui

memiliki oksidasi stabil dan pada kompleksnya memiliki triplet tertinggi hasil

kuantum (Baranoff et al., 2009).

A. Kompleks Iridium untuk DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)

Kompleks siklometal Iridium telah diteliti sebagai sensitizer dalam TiO2-sel

fotoelektrokimia. Prinsip kerja dari DSSC digambarkan pada gambar dibawah ini.

Sebagai contoh semikonduktor yang digunakan adalah TiO2. Adsorben sensitizer

akan menyerap cahaya yang mengarahkan elektron dipita konduksi TiO2.

Gambar 1 Prinsip kerja DSSC

Sistem foto elektrokimia ini sendiri memiliki 5 komponen penting, yaitu :

1. Photoanode (glass + TCO)

2. Mesoporous electron semiconductor (e.g. TiO2)

3. Adsorbed photosensitizer dye (organometallic or organic dye)

4. Electrolyte / hole transporter

5. A counterelectrode (e.g., Pt)

Dye mengalami oksidasi dan mendapatkan donasi elektron dari larutan

elektrolit yang mengandung iodida/triiodida karena proses redoks. Elektron akan

mengalir melalui semikonduktor kemudian mengalir melalui elektroda

counter. Proses reduksi pada elektroda counter dari triiodida akan kembali menjadi

iodida (regenaratif). Energi yang stabil pada sistem konversi photovoltaic dan

dibawah pencahayaan sehingga proses regeneratif dapat berlangsung.

Untuk sensitizer dye sendiri dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu:

pewarna organik dan pewarna anorganik. Diketahui bahwa pewarna anorganik telah

memberikan hasil yang lebih baik jika dibandingkan dengan pewarna organik

karena stabilitas terhadap fotodegradasi untuk pewarna organik rendah. Pewarna

anorganik yang dimaksud adalah pewarna kompleks logam seperti kompleks

Rutenium, Osmium, Iridium, dll. Dari perkembangan penelitian akan DSSC yang

dibuat 20 tahun yang lalu, banyak penelitian telah dilakukan untuk menemukan

kompleks logam transisi serta pewarna organik, tetapi tidak ada yang mampu

melebihi kinerja kompleks rutenium berdasarkan hasil konversi dan stabilitas jangka

panjang atau daya tahan pengggunaannya. Namun, baru-baru ini telah ditemukan

sebuah jenis baru dari kompleks Iridium (III) dengan sensitizer ligan piridin karboksil,

menghasilkan maksimum 66% IPCE dan konversi daya 2,16% efisiensi dalam

simulasi 1.5 AM sinar matahari. Konversi efisiensi energi dapat ditingkatkan dengan

fine tuning dari overlap spektral antara Ir (III) pewarna dan spectrum sinar matahari.

Siklometal Ir (III) kompleks ternyata memiliki dua keuntungan. Pertama, stabilitas

tinggi ditemukan dalam cincin khelat sistem siklometal Ir (III) kompleks dan kedua,

karena lifetime eksitasi dari siklometal Ir (III) kompleks lebih lama daripada N3, yang

higheroverall untuk konversi energi dapat diantisipasi. Berdasarkan bahan

fluorescent yang hanya dapat menggunakan singlet exciton dan efisiensi internal

yang terbatas sekitar 25%, bahan ini dapat memancarkan cahaya baik singlet

maupun triplet excitons dan dengan potensi mencapai efisiensi internal 100%

(Ayyan, 2011).

Dibidang DSSC, kompleks iridium siklometal memang baru dikenal.

Besarnya spliting d orbital menuju pusat logam (MC)

menyatakan kemungkinan untuk membuat molekul lebih stabil dibandingkan

dengan kompleks Rhutenium. Penemuan akan Rhutenium kompleks merupakan

sebuah tantangan yang menarik untuk meningkatkan koefisien

kompleks iridium yang secara signifikan meningkatkan arus pendek

dan menghasilkan konversi yang efisiensi dan daya guna yang besar.

B. Kompleks Netral Tris Siklometal Iridium sebagai OLEDs

Mekanisme kerja dari OLEDs adalah ketika pada elektrode diberikan medan

listrik, fungsi kerja dari elektrode negatif (katode) tersebut akan turun yang

menjadikan elektron - elektron dari katode bergerak menuju pita konduksi di bahan

organik. Keadaan ini mengakibatkan munculnya hole di pita valensi. Sementara itu

elektrode bermuatan positif (anode) akan meng-injeksi hole untuk bergerak menuju

pita valensi bahan organik. Dengan keadaan ini mengakibatkan terjadinya proses

rekombinasi elektron dan hole di dalam bahan organik. Pada waktu proses

rekombinasi terjadi, elektron akan turun dan bersatu dengan hole sambil

memberikan kelebihan energi sebesar hn dalam bentuk foton cahaya dengan

panjang gelombang tertentu. Skema dari proses rekombinasi elektron-hole dapat

digambarkan sebagaimana pada Gambar 2 Dari struktur piranti OLEDs yang

sederhana seperti di atas akan diperoleh satu jenis pancaran cahaya dengan

panjang gelombang tertentu tergantung jeniis bahan emitter yang dipergunakannya

(Hariyadi, 2008).

Gambar 2 Proses rekombinasi elektron-hole yang menghasilkan pancaran

cahaya sebagai konsep dasar dari OLEDs

Kompleks Iridium sebagai OLEDs memiliki keunggulan yaitu dapat

menghasilkan kuantum triplet emisi yang besar. Senyawa kompleks tris-

siklometal iridium adalah kompleks netral dengan pola dasar Ir (C^N)3. Salah satu

contohnya adalah Ir(PPy)3. Spektrum serapan dari Ir(PPy)3 yang kuat adalah berasal

dari ligan ke ligan (LC, p-p *) dan MLCT pada daerah UV dan daerah tampak.

Transisi MLCT lebih rendah energinya dari pada transisi p-p LC*. Keadaan

triplet tereksitasi menunjukkan perpendaran yang kuat pada wilayah warna hijau

disekitar 515 nm. Analisis sifat spectra kompleks Ir (PPy)3 telah diketahui bahwa

HOMO dari [Ir (PPy)3] pada prinsipnya terdiri dari p orbital dari

cincin fenil dan logam d-orbital. Pyridin adalah netral dan merupakan penyumbang

utama terhadap LUMO pada [Ir (PPy)3]. Emisi maksimum kompleks

iridium luminescent ditentukan terutama oleh kesenjangan HOMO-LUMO.

Sebuah strategi yang efektif untuk menyempurnakan warna emisi Ir (III)

kompleks bergantung pada stabilisasi selektif atau destabilisasi dan HOMO/ LUMO

atau kompleks. Cara yang dapat dilakukan adalah dengan menambahkan

substituen penarik elektron atau donor elektron.

Sifat dari senyawa kompleks tris-siklometal iridium dapat mengalami

konfigurasi facial (fac) atau meridional (Mer). Isomer facial lebih stabil daripada

meridional. Namun disisi lain kompleks Iridium dengan karben tidak dapat dicapai

secara termal atau secara fotokima dan degradasi senyawa ini tidak dapat diamati.

Menariknya sampel murni facial atau meridional dapat dijadikan untuk OLEDs.

Kompleks fac- [Ir (pmb)3] dengan ligan 1-phenyl-3-mathyl benzimidazole memiliki

fotoluminesen yang kuantumnya lebih besar dibandingkan kompleks mer-

Ir (pmb)3 di dalam larutan. Persiapan OLEDs dengan mer-Ir(pmb)3 memiliki

efisiensi sekitar dua kali lebih tinggi dari pada fac- Ir (pmb)3.

Penggunaan senyawa organologam yang digunakan sebagai OLEDs selain

kelompok senyawa netral kompleks dengan logam Iridium yaitu senyawa anion bis-

siklo metal Iridium. Selain itu senyawa dengan atom logam Rhutenium juga telah

dipelajari dapat digunakan sebagai OLEDs. Semikonduktor TiO2 mesopori dengan

fotosensitiser baru dari kompleks piridilazoresorinolkobal (II) telah digunakan

sebagai sel fotovoltaik DSSC. Kompleks piridilazoresorinol memiliki absorptivitas

molar tinggi (~ 104 L mol-1) dari transisi elektronik dan transisi MLCT (metal to ligand

charge transfer) di daerah ultra violet dan visibel.

Aplikasi OLEDs telah banyak digunakan dimasyarakat luas salah

satunya hingga saat ini teknologi OLEDs telah digunakan untuk display yang

terbatas dalam beberapa produk komersial seperti mobile phone, MP3 players,

digital cameras, dan sebagainya. Biasanya untuk resolusi display yang rendah

semacam ini dikendalikan oleh teknologi fitur berbasis passive matrix

(PM). Penggunaan solar cell untuk melengkapi OLEDs dimaksudkan untuk

mendaurulang energi foton yang terbuang dari OLEDs. Penggunaan solar cell

dibawah OLEDs menunjukan bahwa keduanya dapat diregenari kembali. Energi

foton yang terbuang dari OLEDs akan diserap oleh solar cell dan dirubah menjadi

energi listrik.

Gambar 3 Senyawa kompleks Iridium

Senyawa kompleks Siklometal Ir(III) merupakan senyawa kompleks

organologam, karena senyawa ini terbentuk dari atom logam dan gugus organik dimana

atom-atom karbon dari gugus organiknya terikat pada atom logam. Sifat senyawa

organologam yang umum ialah atom karbon yang lebih elektronegatif daripada

kebanyakan logamnya. Senyawa kompleks logam (biasanya logam-logam transisi)

merupakan senyawa yang memiliki satu atau lebih ikatan logam-karbon. Senyawa ini

terdiri dari atom pusat dan ligan (Blaser et al, 2000).

Gambar 3. Karakteristik dari Kompleks Organologam (Blaser et al, 2000)

Atom pusat dari suatu senyawa kompleks yang digunakan antara lain dapat

berupa logam-logam transisi seperti: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ir dan Zn (Hijazi et al, 2008).

Ligan dari suatu senyawa komplek dapat mempengaruhi bentuk geometri dari senyawa

organologam itu sendiri sehingga dapat dimanfaatkan dalam berbagai reaksi kimia.

Tabel 1 menjelaskan tentang perbedaan jenis ligan yang terikat pada atom pusat,

dimana memberikan bentuk geometri yang berbeda.

Metal oxidation state Exampel Geometry

Ni0 Ni(CO4) Tetrahedral

Pd0 Pd(PR3)2 Linear

NiII Pd II ArPd(PR3)2X Square planar

RhI Ir I Rh(PR3)3X2 Square planar

Ru II Ru(PR3)3X2 Trigonal pyramid l

Ru II Rh III Rh(Pr3)3XH2 Octahedral

Ir III

Tabel 1. Senyawa komplek organologam dengan perbedaan ligan dan

geometri yang dihasilkan (Blaser et al, 2000).

Dari Gambar 3 Senyawa kompleks Iridium dapat diketahui logam Ir berfungsi

sebagai atom pusat, dan siklometal sebagai ligannya.

BAB III

PENUTUP

KESIMPULAN

1. Senyawa organologam seperti kompleks siklometal Iridium (III) dapat digunakan

sebagai salah satu komponen dalam Solar cell dan OLEDs.

2. Penggunaan senyawa organologam sebagai solar cell dan OLEDs dikarenakan

senyawa ini menghasilkan warna yang sesuai dengan panjang gelombang yang

diserap dan warna yang sampai ke penglihatan merupakan warna

komplemennya.

DAFTAR PUSTAKA

Ayyan, S. 2011. A Critical Review on Dye Sensitized Solar Cells. Institute Of

Technology, Nirma University. Ahmedabad 382 481, 08-10.

Baranoff, Etienne., Jun-Ho Yum, Michael Graetzel, Md.K. Nazeeruddin.,

2009. Cyclometallated iridium complexes for conversion of light into

electricity and electricity into light. Journal of Organometallic

Chemistry, Institute of Chemical Sciences and Engineering, School of Basic

Sciences, Swiss Federal Institute of Technology, CH-1015 Lausanne,

Switzerland.

Blaser, Hans-Ulrich., A. Indolese., A. Schnyder. 2000. Applied Homogeneous

Catalysis by Organometallic Complexes, Current Science, vol. 78, No. 11, pp.

1336-1344.

Hariyadi. 2008. LED-Organik (OLED) Multi Warna.

Diakses pada tanggal : 8 April 2015

http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek13.html

Hijazi, A. K., A. Al-Hmaideen., S. Syukri., N. Radharkrishnan., E. Herdtweck., B. Voit., F.

E. Khn., 2008. Synthesis and Characterization of Acetonitrile-Ligated

Transition-Metal Complexes with Tetrakis(pentafluorophenyl)borate as

Counteranions, Eur. J. Inor. Chem, pp. 2892-2898.

Yuliarto, B. 2011. Solar Cell Sumber Energi Terbarukan.

Diakses pada tanggal : 9 April 2015

http://esdm.go.id/berita/56-artikel/4034-solar-cell-sumber-energi-terbarukan-

masa depan-.html