1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Penelitian

Kebutuhan manusia akan energi sangat tinggi, karena kualitas hidup manusia juga

ditentukan oleh sumber-sumber energi yang ada. Khususnya di Indonesia mengalami peningkatan tiap tahunya seiring dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional dan pertumbuhan penduduk. Peningkatan kebutuhan listrik diperkirakan dapat mencapai rata-rata 10% per tahunnya [1]. Sampai saat ini suplai energi terbesar di dunia adalah energi yang berasal dari energi kimia berupa bahan bakar fosil atau minyak. Persoalan muncul karena cadangan energi fosil jumlahnya terus berkurang sedangkan tidak terjadi proses pembentukan lagi secara cepat (non renewable). Menurut Analisa International Energy Agency (IAE), sedikitnya dunia harus membangun tidak kurang dari 20 pembangkit listrik tenaga nuklir, 20 pembangkit tenaga air, 3000 pembangkit matahari dan 30 pembangkt tenaga batu bara. Kebutuhan-kebutuhan tersebut ternyata tidak hanya akan memenuhi kebutuhan akan energi dunia, tetapi sekaligus juga kabar buruk bagi bumi sendiri, dimana emisi karbon akan meningkat yang berakibat buruk pada lingkungan, sosial dan ekonomi. Dengan demikian kehidupan manusia dimasa depan juga terancam kecuali adanya solusi yang tepat bagi pemenuhan energi bagi umat manusia.

Mengingat cahaya matahari adalah sumber energi yang luar biasa karena tersedia dalam jumlah yang sangat besar dan berlangsung dalam kurun waktu yang lama. Maka mulai dikembangkan pembuatan energi alternatif yang dapat dijadikan solusi dalam permasalahan ini. Salah satunya yaitu sistem konfersi energi cahaya matahari menjadi energy listrik sebagai pengganti energi fosil [2,3,4].

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah salah satu solusi enregi alternatif yang sedang dikembangkan berupa prototipe sel surya yang memanfaatkan zat warna sebagai dono elektron. DSSC ini pertama kali kembangkan oleh Michael Gratzel dengan mengimplemasikan proses fotosintesis pada teknologi bio sel surya tersintesa pewarna [5,6]. 1.2 Antosianin

Antosianin merupakan pigmen pemberikan warna pada tumbuhan yang paling penting dan tersebar luas seperti pada daun, batang, dan bunga[7,8]. Pigmen tersebut akan memberikan warna merah, biru dan ungu pada buah, bunga dan daun yang masuk dalam klas flavonoids. Senyawa antosionin yang paling banyak ditemukan adalah pelargonidin (orange), cyanidin (orange-merah), peonidin (orange-merah), delphinidin (biru-merah), petunidin (biru-merah) dan malvidin (biru-merah) [9]. Antosianin memiliki struktur kimia yang terdiri dari kation tujuh hydroxy flavilium, molekul ini berfungsi dalam penyerapan cahaya dan membentuk warna seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Antosianin yang terbentuk secara alami mempunyai group hydroxyl (HO-) pada posisi 3 dan selalu terhubung dengan molekul glukosa yang dibutuhkan untuk kesetimbangan termal dan posisi 5 terdapat satu atau lebih group hydroxyl atau methoxy (CH3O-) pada cincin B. Ragam warna yang diperlihatkan oleh antosianin tergantung pada nomor dan posisi dari gugusan yang ada [9].

2

Gambar 1. a. Struktur kimia dasar dari antosianin, b. Dua macam struktur kimia antosianin

dalam media asam dan basa, c. Rangkaian mekanisme antosianin dengan TiO2 [9].

1.3 Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) (DSSC) merupakan sel surya yang memanfaatkan pewarna alami. Seperti pada Gambar 2.

DSSC ini terdiri dari sepadang kaca berlapis bahan TCO (transparent conducting oxide) yang saling mengapit larutan elektrolit membentuk seperti wafer. Elektrolit sebagai katalis yang berfungsi untuk mempercepat reaksi redoks berupa I/I3 (iodide/triiodide) [5]. Salah satu kaca sebagai elektroda kerja yang dideposisikan Titanium Dioxide (TiO2) yang berfungsi sebagai transport elektron. Elektroda kerja ini tersensitisasi pewarna yaitu antosianin yang berfungsi sebagai donor elektron. Sedangkan kaca yang lain berupa elektroda lawan yang terlapisi oleh karbon.

Gambar. 2. Struktur DSSC

Sistem kerja DSSC sendiri diawali saat foton dari sinar matahari mengenai elektroda kerja

dari DSSC, kemudian foton tersebut diserap oleh dye antosianin yang menempel pada lapisan TiO2. Dari tambahan energi, elektron pada dye antosianin menjadi tereksitasi sehingga dapat terinjeksi menuju pita konduksi TiO2. Selanjutnya elektron melewati TiO2 menuju elektroda TCO dan mengalir melelui rangkaian luar menuju ke elektroda lawan. Kemudian triiodida dari larutan elektrolit menangkap elektron yang bererada pada elektroda lawan untuk kembali masuk dengan bantuan molekul karbon. Sehingga dye antosianin akan kembali ke keadaan semula dengan bantuan elektrolit membentuk siklus yang berulang [4,10] seperti yang ditunjukaan pada Gambar 3.

3

Gambar 3. Sistem kerja DSSC

1.4 Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya DSSC Karakteristik kelistrikan baik arus maupun tegangan dapat di ukur menggunakan voltmeter

dan amperemeter. Hasil keluaran dari pengukuran sel surya DSSC dapat digrafikkan seperti

pada Gambar 4.

Gambar 4. Grafik Rapat Arus-Tegangan (J-V) sel surya DSSC [4] yang bekerja secara normal

dengan modifikasi gambar.

Gambar 4. menunjukkan tegangan rangkaian buka atau tegangan open circuit (Voc), tegangan maksimum (Vmax), arus rangkaian pendek atau arus sort circuit (Isc), dan arus maksimum (Imax). Tegangan rangkaian buka (Voc) dihasilkan ketika sel dalam kondisi open circuit sehingga tidak ada arus yang mengalir dalam rangkaian. Sedangkan arus rangkaian pendek (Isc) dihasilkan pada saat sel dalam kondisi sort circuit sehingga arus akan mengalir [3].

4

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Listrik dan Sumber Energi Baru.

http://www.suaramerdeka.com/v1/index.php/read/cetak/2012/06/22/190272/10/Listrik-

dan-Sumber-Energi-Baru. (22 juni 2012)

[2]. Lidya Pancaningtyas dan Syafsir Akhlus.Peranan Elektrolit pada Performa Sel Surya Pewarna Tersensitisasi (SSPT). ITS : Surabaya.

[3]. Hardeli,dkk. Pembuatan Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Ubi Jalar Ungu, Wortel dan Kunyit Sebagai Sumber Zat Warna. UNP: Padang.

[4]. Maya Sukma Widya Kumara dan Gontjang Prajitno, 2012. Studi Awal Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Menggunakan Ekstraksi Daun Bayam (Amaranthus Hybridus L.) sebagai Dye Sensitizer dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya pada DSSC. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.

[5]. Grätzel, Michael, 2003. Dye-Sensitised Solar Cells, journal of Photochemistry and Photobiology. Vol.4, 145-153.

[6]. Grätzel, Michael, 2005. Photovoltaic performance and long-term stability of dye-sensitized meosocopic solar cells. C. R. Chimie 9 (2006) 578–583.

[7]. Prasanta Kumar Das, Bang Geul, Sang-Bong Choi, Sang-Dong Yoo, Youn-II Park, 2011, Photosynthesis-dependent anthocyanin pigmentation in arabidopsis, Plant Signaling & Behavior 6:1.

[8]. Vitriany Ekasari, Gatut Yudoyono, 2013, Fabrikasi DSSC dengan Dye Ekstrak Jahe Merah (Zingiber Officinale Linn Var. Rubrum) Variasi Larutan Ti02 Nanopartikel Berfase Anatase dengan Teknik Pelapisan Spin Coating, Jurnal Sain dan Seni POMITS Vol. 2, No.1.

[9]. J. M. R. C. Fernando, G.K.R. Senadeera, 2008. Natural anthocyanins as photosensitizer for dye-sensitized solar devices. Current Science, Vol. 95, No.5.

[10]. Akhiruddin Maddu, Mahfuddin Zuhri, dan Irmansyah, 2007. Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye, Makara, Teknologi, Vol. 11 No. 2.

5

BAB II

Identifikasi Antosianin Kol Merah (Brassica oleracea var) untuk Potensi sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Ferri Rusady Saputra1,2, Ferdy Semuel Rondonuwu 1,2, Adita Sutresno1,2,*

adita@staff.uksw.edu 1Progam Studi Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Matematika

2Progam Studi Fisika Fakultas Sains dan Matematika Universitas Kristen Satya Wacana Jln. Diponegoro No. 52-60 Salatiga

Abstrak-Antosianin merupakan pigmen warna atau molekul yang bisa menyerap cahaya dan memberikan warna pada bahan-bahan organik seperti buah, bunga dan daun. Antosianin baru-baru ini dikembangkan untuk menyediakan sumber energi listrik alternatif bahan day sel surya bio yang berperan sebagai donor elektron. Dalam penelitian ini telah dilakukan ektraksi bahan dari kol merah (Brassica oleracea var) dengan berbagai variasi perbandingan pelarut metanol, asam asetat, dan aquades. Variasi pelarut satu menggunakan perbandingan 40 : 8 : 52, dari hasil penelitian konsentrasi antosianin kol merah tertinggi yang didapat pada perbandingan ini yaitu sebanyak 51,64 mg/100g. Pada variasi pelarut dua menggunakan perbandingan 50 : 8 : 42, hasil konsentrasi antosianin yang didapat terendah yaitu sebanyak 47,42 mg/100g. Sedangkan variasi pelarut tiga menggunakan perbandingan 60 : 8 : 32, hasil konsentrasi antosianin yang didapat 49,61mg/100g. Dari data penelitian menunjukkan bahwa perbandingan variasi pelarut untuk ekstraksi antosianin kol merah yang paling efektif adalah dengan perbandingan variasi pelarut metanol, asam asetat, dan aquades 40 : 8 : 52. Kata kunci : antosianin, Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

6

I. PENDAHULUAN

Konsumsi energi lisrik diprediksi akan terus meningkat. Khususnya di Indonesia mengalami peningkatan tiap tahunya seiring dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasinal dan pertumbuhan penduduk. Diperkirakan mencapai rata-rata 10% per tahun peningkatan kebutuhan listrik. Peningkatan ini tentunya akan menimbulkan permasalahan baru yaitu kekurangan sumber energi listrik.

Baru-baru ini para peneliti semakin gencar untuk mencari solusi mengenai permasalahan ini dengan mencari energi alternatif. Energi matahari merupakan salah satu energi yang sedang giat dikembangkan saat ini.

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah salah satu solusi enregi alternatif yang sedang dikembangkan berupa prototipe sel surya yang memanfaatkan zat warna sebagai dono elektron. DSSC ini pertama kali kembangkan oleh Michael Gratzel dengan mengimplemasikan proses fotosintesis pada teknologi bio sel surya tersintesa pewarna [1].

DSSC ini terdiri dari dua buah kaca TCO (transparent conducting oxide) dimana salah satu kaca sebagai elektroda kerja yang terlapisi oleh TiO2 kemudian direndam dalam larutan pewarna yang berfungsi sebagai donor elektron. Sedangkan kaca kedua sebagai elektroda lawan yang terlapisi oleh karbon. Kedua kaca disusun seperti wafer kemudian di tetesi dengan larutan elektrolit sebagai katalis yang berfungsi untuk mempercepat reaksi redoks seperti pada Gbr 1. I/I3

(iodide/triiodide) merupakan pasangan redok yang sering digunakan [1].

Gbr 1. Sekema Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Salah satu pewarna yang dapat digunakan adalah antosianin. Antosianin merupakan

pigmen warna atau molekul yang bisa menyerap cahaya dan memberikan warna merah, biru , dan ungu pada bahan-bahan organik seperti buah, bunga dan daun [2]. Senyawa antosionin yang paling banyak ditemukan adalah pelorgonidin (orange), cyanidin (orange-merah), peonidin (orange-merah), delphinidin (biru-merah), petunidin (biru-merah) dan malvidin (biru-merah) [3]. Pada penelitian ini dilakukan identivikasi terhadap ekstrak antosianin kol merah (Brassica oleracea var) untuk potensi sebagai fotosensitizer dalam pembuatan prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC).

Seperti yang ditunjukkan pada Gbr 2. struktur kimia dasar dari antosianin berupa kation tujuh hydroxyflavilium yang fungsi utamanya sebagai penyerapan cahaya dan pembentuk warna. Nomor dan posisi dari gugusan atau struktur kimia sangat mempengaruhi berbagai macam warna yang diperlihatkan oleh antosianin [3].

7

Gbr 2. a. Struktur kimia dasar dari antosianin, b. Dua macam struktur kimia antosianin dalam media asam dan basa, c. Rangkain mekanisme antosiani dengan TiO2. [3]

II. METODE PENELITIAN

A. Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi pisau, timbangan digital,

mortar, beaker glass, gelas ukur, erlenmeyer, corong, kertas saring, pipet, alumunium foill, kertas tisu, kuvet, pH Indikator Acilit, Spektrofotometer UV-Vis Optizen 2120 UV. Bahan- bahan yang digunakan antara lain kol merah (Brassica oleracea var), methanol, asam asetat, aquades, KCL, CH3CO2Na.3H2O, HCL.

B. Ekstraksi Antosianin Kol Merah (Brassica oleracea var) Kol merah (Brassica oleracea var) ditimbang sebanyak 20 garam kemudian

ditumbuk sampai halus dengan menggunakan mortar. Selanjutnya hasil tumbukan kol merah di remdam dalam pelarut selama 24 jam yang terdiri dari metanol, asam asetat, dan aqudes [4]. Selanjutnya dimasukan dalam botol gelap atau yang sudah dilapisi alumunium foil, dalam perendaman latutan ekstrak antosianin di simpan dalam freezer. Variasi perbandingan pelarut yang digunakan pertama menggunakan 40: 8 :52 yaitu 40 ml metanol, 8 ml asam asetat, dan 52 ml aquades. Variasi perbandingan kedua menggunakan 50 : 8 : 42 yaitu 50 ml metanil, 8 ml asam asetat, dan 42 ml aquades. Sedangkan variasi ketiga menggunakan 60 : 8 : 32 yaitu 60 ml metanol, 8 ml asam asetat, dan 32 ml aquades.Hasil perendaman larutan ekstrak antosianin kemudian disaring menggunakan kertas saring dan di masukan ke dalam botol gelap atau yang telah dilapisi alumunium foil. Hasil ekstrak anosianin siap untuk dukur.

C. Membuat larutan pH

8

Untuk membuat larutan pH 1.0 dibutuhkan 1,86 gram KCL dilarutkan dalam aquades 980 ml, selanjutnya di diatur pH nya dengan menambahkan HCL sampai terbentuk pH 1.0. Sedangkan untuk pH 4.5 dapat dibuat seperti cara pH 1.0 tetapi KCL diganti dengan CH3CO2Na3H2O sebanyak 54,43 gram.

D. Pengkukuran pH

Hasih ekstraksi antosianin tiap variasi pelarut diukur pH nya menggunakan pH Indikator Acilit.

E. Uji Absorbansi Atosianin Kol Merah dengan Spektrofotometer UV-Vis

Hasil ekstraksi antosianin selanjutnya dianalisa menggunakan sepektrometer UV-Vis dengan kisaran panjang gelombang 400-700 nm. Untuk mengetahui absorbansi tiap variasi pelarut berada pada panjang gelombang maksimal (mak) yang akan menjadi mak dalam perhitungan menentukan jumlah antosianin.

F. Uji kandungan antosianin total dalam kol merah dengan metode perbedaan pH Selanjutnya untuk mendapatkan konsentrasi kandungn antosiani pada kol merah,

larutaan ekstrak kol merah diencerkan menggunakan lautan pH 1.0 dan pH 4.5 kemudian diukur mengunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 400-700 nm sampai tinggi maksimal absorbansi tidak melebihi 1,2. Data yang didapat kemudian dianalisa untuk mendapatkan jumlah antosianin yang terkandung dalam larutan dengan perumusan seperti yang digunakan oleh Giusti et.al.dan Lee, et al., 2005.

Dengan koefisien ekstingsi molar (ε) sebesar 23.440 (berdasar koefisien ekstingsi molar dari (pelargonidin-3,5-diglukosa) dan bobot molekul sebesar 317 sebagai berikut :

A = (A vis – max - A700)PH 1 - (A vis – max - A700)PH 4.5 (1)

Total antosianin (mg/L) : ℇ

(2)

Keterangan : ℇ : koefisien ekstingsi molar (L x mol–1 x cm–1) MW : Bobot molekul DF : Faktor pengenceran l : Tebal kuvet (1 cm) Ref. [5,6]

9

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Identifikasi Hasil Spektrofotometer UV-Vis pada Antosianin kol merah Berdasarkan hasil pengukuran sepektrum serapan kol merah berada pada kisaran

panjang gelombang 400-570 nm. Untuk variasi perbandingan pelarut 40 : 8 : 52 absorbansi maksimum berada pada 1,7799 dan panjang gelombang maksimal (mak) 535 nm. Untuk variasi perbandingan pelarut 50 : 8 : 42 absorbansi maksimum berada pada 2,3098 dan panjang gelombang maksimal (mak) 535 nm. Untuk variasi perbandingan pelarut 60 : 8 : 32 absorbansi maksimum berada pada 1,556 dan panjang gelombang maksimal (mak) 535 nm. mak ini lah yang akan digunakan dalam perhitungan menentukan jumlah total antosianin yang terkandung dalam larutan.

B. Identifikasi Jumlah Antosianin Kol Merah

Dari hasil pengukuran dengan Sepektrofotometer UV-Vis didapatkan data pada panjang gelombang 535 nm dan 700 nm dengan pengenceran pH 1 dan pH 4.5 seperti pada Gbr 4. dan Gbr 5. Sedangkan hasil sepektrum serapannya seperti pada Tabel 1.

Tabel 1. Sepektrum serapan pH 1 dan pH 4.5 pada panjang gelombang () 535 nm dan 700 nm

pH 1 pH 4.5

535 700 535 700

1,0482 0.0031 0,1964 0,0000

0,9838 0,0010 0,2036 0,0000

1,0287 0,0000 0,2287 0,0153

Gbr 4. Spektrum antosianin yang diencerkan menggunakan pH 1. No 1. variasi pelarut 40

: 8 : 52, No 2. variasi pelarut 50 : 8 :42, No 3. variasi pelarut 60 :8 : 32

10

Gbr 5. Spektrum antosianin yang diencerkan menggunakan pH 4.5. No 1. variasi pelarut

40 : 8 : 52, No 2. variasi pelarut 50 : 8 :42, No 3.variasi pelarut 60 :8 : 32

Jumlah total antosianin yang terkandung dalam tiap varisi pelarut di dapat dengan menggunakan persamaan (1) dan persamaan (2). Sehingga diperoleh dari hasil perhitungan antosianin pada variasi perbandingan pelarut 40:8:52 sebanyak 51,64 mg/100gr, pada variasi perbandingan pelarut 50:8:42 dihasilkan sebanyak 47,42 mg/100gr, dan pada variasi perbandingan pelarut 60:8:32 dihasilkan sebanyak49,61 mg/100gr.

Dari hasil diatas tapak hubungan variasi perbandingan pelarut berpengaruh terhadap jumlah antosianin yang terkandung dalam larutan eksrak. Dimana pada variasi dengan perbandingan 40:8:52 menghasilkan jumlah antosianin paling bannyak dibadingkan dengan variasi perbandingan 50:8:42 dan 60:8:32. Sedangkan jumlah antosianin paling sedikit justru pada variasi perbandingan pelarut 50:8:42.

C. Pengujian Teganggan pada DSSC Hasil ekstrak antosianin dengan variasi perbandingan pelarut yang berbeda di

ujikan pada DSSC terhadap keluaran tegangan yang dihasilkan terhadap waktu. Lamanya waktu yang di ambil dalam penelitian ini adalah tiap 5 menit selama 70 menit.

Teganggan yang dihasilkan tiap variasi perbandingan pelarut menunjukan nilai yang cenderung konstan seperti erlihat pada Gbr 6.

Gambar 6. Grafik tegangan terhadap waktu dari sel yang tersensitasi day. -■- variasi pelarut 40:8:52, -●- variasi pelarut 50:8:42, dan -▲- variasi pelarut 60:8:32.

11

Pada variasi perbandingan pelarut 40:8:52 tegangan yang dihasilkan rata-rata pada nilai 649 mV, variasi perbandingan pelarut 50:8:42 dihasilkan tegangan rata-rata pada nilai 451 mV, sedangkan pada variasi perbandingan pelarut 60:8:32 dihasilkan tegangan rata-rata pad nilai 548mV.

Hasil teggangan terhadap waktu pada DSSC ini berkolerasi terhadap jumlah antosianin, dimana jumlah antosianin yang paling tinggi juga menghasilkan tegangan yang paling tinggi.

IV. KESIMPULAN

Dalam penelitian ini telah ditemukan korelasi antara jumlah antosianin dengan tegangan terhadap waktu yang dihasilkan dalam DSSC, semakin banyak jumlah antosiani semakin tinggi tegangan yang dihasilkan. Perbandingan pelarut ekstraksi bahan dari kol merah (Brassica oleracea var) yang paling berpotensi sebagai DSSC dengan menggunakan perbandingan metanol, asam asetat, dan aquades adalah 40:8:52. Variasi pelarut ini menghasilkan jumlah antosiani paling tinggi yaitu sebanyak 51,64 mg/100g dan tegangan paling tinggi pada DSSC. PUSTAKA RUJUKAN

[1]. M. Gratzel, 2003, Dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C:

Photochemistry Reviews 4 (2003) 145-153. [2]. Prasanta Kumar Das, Bang Geul, Sang-Bong Choi, Sang-Dong Yoo, Youn-II Park, 2011,

Photosynthesis-dependent anthocyanin pigmentation in arabidopsis, Plant Signaling & Behavior 6:1

[3]. J. M. R. C. Fernando, G.K.R. Senadeera, 2008, Natural anthocyanins as photosensitizer for dye-sensitized solar devices, Current Science, Vol. 95, No.5.

[4]. Akhiruddin Maddu, Mahfuddin Zuhri, dan Irmansyah, 2007, Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye, Makara, Teknologi, Vol. 11 No. 2

[5]. Giusti,M. M., & Wrolstad, R. E. (2001). Unit F1.2.1-13. Anthocyanins. Characterization and measurement with UV-visible spectroscopy. In R. E. Wrolstad (Ed.), Crurrent Prorocols in Food Analytical Chemistry. New York: Wiley.

[6]. Lee, J. 2005. Determination of Total Monomeric Anthocyanin Pigment Content of Fruit Juices, Beverages, Natural Colorants, and Wines by the pH Differential Method: Collaborative Study. Journal Of AOAC International, 88 (5) : 1269

12

BAB III

PEMANFAATKAN EKSTRAK ANTOSIANIN KOL MERAH (Brassica oleracea var) SEBAGAI DYE SENSITIZED DALAM

PEMBUATAN PROTOTIPE SOLAR CELL(DSSC)

Ferri Rusady Saputra1,2, Ferdy Semuel Rondonuwu 1,2, Adita Sutresno1,2

1Progam Studi Pendidikan Fisika Fakultas Sains dan Matematika 2Progam Studi Fisika Fakultas Sains dan Matematika

Universitas Kristen Satya Wacana Jln. Diponegoro No. 52-60 Salatiga

adita@staff.uksw.edu

ABSTRAK

Telah dilakukan pembuatan prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan memanfaatkan antosianin kol merah (Brassica oleracea var). DSSC terbentuk dari dua buah elektroda TCO yang disusun saling mengapit elektrolit polimer membentuk seperti wafer. Salah satu elektroda terdiri TiO2 yang telah tersensitiser oleh day antosianin sebagai donor elektron dan elektroda lawam terlapisi oleh karbon. Elektrolit sebagai katalis yang berfungsi untuk mempercepat reaksi redoks berupa I/I3

(iodide/triiodide). Sel surya yang dipabliskan memiliki luasan 3x3 cm2 dengan perbedaan konsentrasi masing-masing 100% (tanpa pengenceran), 50% (pengenceran 2 kali), dan 25% (pengenceran 4 kali). Masing-masing sel diuji menggunakan penyinaran lampu halogen 50 Watt pada jarak 30cm. Dengan memperhatikan karakteristik dari arus terhadap teganggan dan tegangan terhadap waktu. Hasil pengujian menunjukan semakin tinggi konsentrasi day antosianin kol merah semakin besar tegangan dan arus yang dihasilkan yaitu pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran). Kata-kata kunci : Sel surya, Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), TiO2, antosianin

13

I. PENDAHULUAN

1.1 Krisis Energi Akhir-akhir ini krisis energi listrik menjadi masalah yang mendasar dari setiap negara

termasuk negara Indonesia. Salah satu penyebab terjadinya krisis ini adalah peningkatan pertumbuhan penduduk, yang mengakibatkan konsumsi energi semakin banyak dan tidak terkendali.

Untuk mengatasi krisis energi ini para peneliti gencar untuk menemukan energi alternatif guna memenuhi kebutuhan energi listrik. Sel surya adalah salah satu alternatif pengganti yang dapat digunakan. Di mana sel surya ini memanfaatkan cahaya matahari yang dirubah menjadi listrik. Cahaya matahari adalah sumber energi yang luar biasa karena tersedia dalam jumlah yang sangat besar dan berlangsung dalam kurun waktu yang lama. Selain itu di Indonesia adalah negara yang dilewati garis katulistiwa sehingga sangat berpotensi untuk menggembangkan sel surya sebagai energi pengganti masa depan.

1.2 Sel surya Gratzel et.al adalah orang pertama yang mengembangkan sel surya sehingga sering

juga disebut sel Gratzel [2]. Sel surya yang ditemukan memanfaatkan pewarna alami. Sel surya ini memiliki beberapa keungulan diantaranya ramah lingkungan, pembuatannya mudah, dan murah karena bahan baku banyak tersedia di pasaran. [3]

1.3 Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) (DSSC) merupakan sel surya yang memanfaatkan pewarna alami. Seperti pada Gambar

1. DSSC ini terdiri dari sepadang kaca berlapis bahan TCO (transparent conducting oxide) yang saling mengapit larutan elektrolit membentuk seperti wafer. Elektrolit sebagai katalis yang berfungsi untuk mempercepat reaksi redoks berupa I/I3

(iodide/triiodide) [2]. Salah satu kaca sebagai elektroda kerja yang dideposisikan Titanium Dioxide (TiO2) yang berfungsi sebagai transport elektron. Elektroda kerja ini tersensitisasi pewarna yaitu antosianin yang berfungsi sebagai donor elektron. Sedangkan kaca yang lain berupa elektroda lawan yang terlapisi oleh karbon.

Gambar. 1. Struktur DSSC

Sistem kerja DSSC sendiri diawali saat foton dari sinar matahari mengenai elektroda kerja dari DSSC, kemudian foton tersebut diserap oleh dye antosianin yang menempel pada lapisan TiO2. Dari tambahan energi, elektron pada dye antosianin menjadi tereksitasi sehingga dapat terinjeksi menuju pita konduksi TiO2. Selanjutnya elektron melewati TiO2 menuju elektroda TCO dan mengalir melelui rangkaian luar menuju ke elektroda lawan. Kemudian triiodida dari larutan elektrolit menangkap elektron yang bererada pada

14

elektroda lawan untuk kembali masuk dengan bantuan molekul karbon. Sehingga dye antosianin akan kembali ke keadaan semula dengan bantuan elektrolit membentuk siklus yang berulang [1,4] seperti yang ditunjukaan pada Gambar 2.

Gambar 2. Sistem kerja DSSC

1.4 Karakteristik Titanium Dioxide (TiO2)

TiO2 merupakan bahan semikonduktor yang bersifat inert, stabil terhadap fotokorosi dan korosi oleh bahan kimia. Penggunaan TiO2 diantaranya untuk manufaktur elemen optik dan berpotensial pada aplikasi divais elektronik seperti DSSC dan sensor gas [2]. TiO2 yang digunakan dalam aplikasi pada DSSC umunya berfasa anatase sebab mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi. TiO2 dengan struktur nanopori yaitu ukuran pori dalam skala nano akan menaikan kinerja sistem karena struktur nanopori mempunyai karakteristik luas permukaan yang tinggi sehingga akan menaikan jumlah dye yang teradsorb yang implikasinya akan menaikan jumlah cahaya yang terabsorb [4,6].

1.5 Antosianin Pada proses fotosintesis telah membuktikan adanya senyawa pada tumbuhan yang

dapat digunakan sebagai dye. Zat-zat tersebut ditemukan pada daun atau buah, yaitu antosianin, klorofil, dan xantofil. Peneliti telah membuktikan bahwa antosianin dapat tereksitasi dengan adanya penyinaran pada penerapan dyes. Antosianin sendiri adalah bagian dari senyawa fenol yang tergolong flavonoid. Antosianin merupakan pigmen pemberikan warna pada tumbuhan yang paling penting dan tersebar luas seperti pada daun, batang, dan bunga [5,6]. Pada penelitian ini antosiani yang digunakan berasal dari ektrak kol merah (Brassica oleracea var).

II. BAHAN DAN METODE A. Menyiapkan Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi timbangan digital, mortar, erlenmeyer, beker gelas, alumunium foil, corong, spatula, pipet, gelas ukur, cermet, isolatipe, kertas saring, tisu, PH meter, spektrofotometer OPTIZEN 2120 UV (UV-Vis), lampu halogen 50 watt, Magnetic Stirrer, batang gelas (glass stirring rod), dan multi meter digital FLUKE.Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi kol merah (Brassica oleracea var), methanol, asam asetat, aquades, aseton, kaca TCO (transparent

15

conducting oxide), detergen, koloid TiO2, Polietilen Glikol 4000 (PEG 4000), KI, dan I2, pensil 8B.

B. Pembuatan Elektroda Kerja (TiO2)

Pasta TiO2 dibuat dengan menggunakan 2 gram serbuk TiO2 dalam 2 ml asam asetat kemudian diaduk menggunakan mortar hingga membentuk pasta dan ditambah beberapa tetes detergen.

Substrat kaca berlapis TCO (Transparent Conducting Oxide) dibersihkan dengan

menggunakan aseton kemudian diukur resistansinya dengan menggunakan multimeter digital. Sebelum mendeposisikan pasta TiO2 pada kaca berlapis TCO, pada sisi kaca berlapis TCO ditutup dengan menggunakan isolatipe seperti pada Gambar 3. Kemudian pasta TiO2 diteteskan pada kaca TCO dan diratakan menggunakan batang gelas (glass stirring rod) tunggu hingga kering pada suhu ruang. Selanjutnya lapisan TiO2 dioven pada suhu 3000c selama 30 menit.

Gambar 3. Skema Deposisi TiO2 pada Kaca TCO

C. Ekstraksi Dye Antosianin Kol Merah (Brassica oleracea var)

Kol merah segar ditimbang sebanyak 20 gram menggunakan timbangan digital. Kemudian kol merah di tumbuk menggunakan mortar hingga halus. Hasil tumbukan dimasukan dalam erlenmeyer yang telah dilapisi alumunium foil dan direndam menggunakan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades dengan perbandingan 40 : 8 : 52 selama 24 jam dengan konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) , 50% (pengenceran 2 kali), dan 25% (pengenceran 4 kali).

D. Uji Spektrum Absorbansi Antosianin Kol Merah Menggunakan Spektrofotometer UV-Vis

Hasil ekstraksi antosianin dengan konsentrasi 100%, 50%, dan 25% dimasukkan ke dalam kuvet. Dimasukkan juga cairan perbandingan pelarut 40 : 8 : 52 ke dalam kuvet. Kemudian diuji spektrumnya menggunakan spektrofotometer OPTIZEN 2120 UV.

E. Pembuatan Elektroda Lawan

Kaca TCO dibersihkan mengunakan aseton kemudian diukur resistansinya menggunakan multimeter. Kemudian kaca TCO diarsir menggunakan pensil 8B dan dibakar menggunakan api lilin hingga terbentuk lapisan karbon.

F. Pembuatan Larutan Elektrolit

16

Larutan elektrolit dibuat dari 8,3 gram KI dan 1,26 gram I2 yang dilarutkan dam 100 ml Polietilen Glikol 4000 (PEG 4000). Kemudian larutan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 15 menit, kemudian simpan dalam botol berwarna gelap atau botol yang sudah dilapisi almunium foil.

G. Karakteristik Sel Surya

Sel surya diukur karakteristik tegangan terhadap waktu (V-t) dan arus terhadap tegangan (I-V) dengan merangkainya denagn sebuah voltmeter (V) dan sebuah amperemeter (A). Pengukuran dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya lampu halogen 50 Watt pada jarak 30 cm diarahkan tegak lurus terhadap permukaan sel surya. Untuk mengatur arus maupun tegangan keluaran sel surya pada rangkaian dipasang potrnsiometer seperti pada Gambar 4. dan Gambar 5.

Gambar. 4. Rangkaian pengukuran I-V

Gambar 5. Rangkaian pengujian kinerja DSSC

III. HASIL DAN DISKUSI A. Hasil Uji Spektrofotometer UV-Vis pada Antosianin Kol Merah

Larutan ekstraksi dye antosianin kol merah diuji sepektrum absorbansinya menggunakan spektrofotometer UV-Vis tipe OPTIZEN 2120 UV. Pengukuran spektrum absorbsi antosianin dilakukan dengan cara mengambil konsentrasi pelarut 100% tanpa pengenceran dari hasil ekstrak, kemudian mengambil konsentrasi 50% dengan cara pengenceran 2 kali hasik eksrak menggunakan perbandingan campuran pelarut metanol, asam asetat, dan aquades 40 : 8 : 52. Selanjutnya mengambil konsentrasi 25% dengan cara pengenceran 4 kali. Setelah itu tiap konsentrasi diukur dengan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 400-700. Hasil pengukuran spektrum absorbsi dari masing-masing larutan ditunjukkan pada Gambar 6.

17

Gambar 6. Spektrum absorbsi ekstrak antosianin kol merah dengan konsentrasi. (1) 100%

(tanpa pengenceran), (2) 50% (pengenceran 2 kali), dan (3) 25% (pengenceran 4 kali).

Dari hasil pengukuran spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 400-700 memperlihatkan absorbansi yang berda-beda tiap konsentrasi. Di mana pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) memiliki absorbansi paling tinggi yaitu 1,0942, pada konsentrasi 50% (pengenceran 2 kali) memiliki ansorbansi 0,8554, sedangkan pada konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali) memiliki absorbansi paling kecil yaitu 0,5583. Absorbansi tiap konsentrasi menunjukkan panjang gelombang yang sama yaitu berada pada 535 nm.

B. Karakterisasi Tegangan terhadap Waktu

Dari hasil penelitian ini ekstrak antosianin kol merah dengan konsentrasi 100% (tanpa pengenceran), 50% (pengenceran 2 kali), dan 25% (pengenceran 4 kali) selanjutnya di ujikan pada DSSC dengan lama perendaman 1 jam pada larutan antosianin dengan keluaran tegangan terhadap waktu (V-t) selama 75 menit. Seperti terlihat pada Gambar 7. data tegangan terhadap waktu menunjukan nilai yang berbeda tiap konsentrasi larutan tetapi tiap konsentrasi memiliki nilai yang cenderung konstan baik pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran), 50% (pengenceran 2 kali), maupun 25% (pengenceran 4 kali).

Gambar 7. Grafik tegangan terhadap waktu dari sel yang tersensitasi day. -♦-konsentrasi

100% (tanpa pengenceran), -■- konsentrasi 50% (pengenceran 2 kali), dan -▲- konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali).

050

100150200250300350400450

0 20 40 60 80

Tega

ngan

(mV)

Waktu (menit)

18

Pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) menunjukkan nilai tegangan rata-rata

paling tinggi pada perendaman 1 jam yaitu 382 mV, dan pada konsentrasi 50% (pengenceran 2 kali) teganggan rata-tara yang dihasilkan 283 mV, sedangkan pada konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali) menunjukan nilai tegangan rata-rata paling rendah sebesar 207 mV.

Nilai tegangan rata-rata yang dihasilkan ini sebanding dengan jumlah konsentrasi pada larutan dye antosianin dimana semakin tinggi konsentrasi semakin tinggi teranggan yang dihasilkan.

C. Karakterisasi Arus dan Tegangan

Untuk mengetahui kinerja sel surya dilakukan pengukuran karakteristik arus terhadap tegangan (I-V) dengan multimeter digital pada kondisi tersinari dengan menggunakan sumber cahaya lampu Halogen 50 watt pada jarak 30 cm. Hasil pengujian arus dan tegangan seperti pada Gambar 8.

Gambar 8. Grafik karakteristik I-V DSSC dengan perbedaan konsentrasi pad

perendaman 1 jam. -♦-konsentrasi 100% (tanpa pengenceran), -■- konsentrasi 50% (pengenceran 2 kali), dan -▲- konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali).

Dari Gambar 6. Selanjutnya dapat ditentukan arus rangkaian pendek (ISC) dan

tegangan rangkaian buka (VOC). Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan untuk lama perendaman 1 jam pada

konsentrasi 100% (tanpa pengenceran), 50% (pengenceran 2 kali), dan 25% (pengenceran 4 kali) seperti yang di sajikan dalam Tabel 1.

Tabel 1. Data keluaran pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran), 50% (pengenceran 2 kali) dan 25% (pengenceran 4 kali).

Lama Perendaman 1 Jam

100% 50% 25%

VOC (mV) 379 266 181

0

1

2

3

4

5

6

0 200 400

Arus

(μA

)

Tegangan (mV)

19

ISC (μA) 5,39 4,8 2,4

Dari Tabel 1. dapat dilihat bahwa tegangan keluaran yang dihasilkan DSSC untuk TiO2 yang direndam dalam cairan ekstrak antosianin selama 1 jam pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) menghasilkan arus dan tegangan keluaran paling besar, sedangakan pada konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali) menunjukan keluaran paling kecil. Ini memperlihatkan korelasi antara arus dan tegangan yang dihasilkan terhadap konsentrasi larutan dimana semakin tinggi konsentrasi larutan maka semakin tinggi arusa dan tegangannya.

IV. KESIMPULAN Dari hasil pembahasan dapat disimpulkan adanya korelasi antara tegangan terhadap

waktu (V-t) dan arus terhadap tegangan (I-V) dengan konsentrasi larutan, dimana semakin tinggi konsentrasi larutan maka tegangan terhadap waktu (V-t) maupun arus terhadap tegangan (I-V) yang dihasilkan juga semakin tinggi. Sehingga untuk kinerja sel surya yang paling efektif pada perendaman 1 jam yaitu pada konsentrasi 100% (tanpa pengenceran) dengan keluaran ISC 5,39 A, VOC 379 mV. Sedangkan nilai karakteristik terendah berada pada konsentrasi 25% (pengenceran 4 kali) dengan keluaran yang dihasilkan ISC 2,4 A, VOC 181 mV. DAFTAR PUSTAKA

[1] Akhiruddin Maddu, Mahfuddin Zuhri, danIrmansyah, 2007, Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye, Makara, Teknologi, Vol. 11 No. 2.

[2] Grätzel, Michael, 2003, Dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4 (2003) 145-153.

[3] Grätzel, Michael, 2005. Photovoltaic performance and long-term stability of dye-sensitized meosocopic solar cells. C. R. Chimie 9 (2006) 578–583.

[4] Maya Sukma Widya Kumara dan Gontjang Prajitno, 2012. Studi Awal Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Menggunakan Ekstraksi Daun Bayam (Amaranthus Hybridus L.) sebagai Dye Sensitizer dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya pada DSSC. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.

[5] Prasanta Kumar Das, Bang Geul, Sang-Bong Choi, Sang-Dong Yoo, Youn-II Park, 2011, Photosynthesis-dependent anthocyanin pigmentation in arabidopsis, Plant Signaling & Behavior 6:1.

[6] Vitriany Ekasari, Gatut Yudoyono, 2013, Fabrikasi DSSC dengan Dye Ekstrak Jahe Merah (Zingiber Officinale Linn Var. Rubrum) Variasi Larutan Ti02 Nanopartikel Berfase Anatase dengan Teknik Pelapisan Spin Coating, Jurnal Sain dan Seni POMITS Vol. 2, No.1.

20

BAB IV

KESIMPULAN

Telah dibuat prototype Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan memanfaatkan ekstrak antosianin kol merah sebagai dye sensitizer. Perbandingan pelarut methanol : asam asetat : aquades (40 : 8 : 52) merupakan perbandingan pelarut yang optimal untuk mengekstrak antosianin dari kol merah. Jumlah antosianin yang diperoleh sebesar 51,64 mg/100 gr, dengan menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 649 mV. Karakteristik arus terhadap tegangan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) pada konsentrasi berbeda menunjukkan semakin tinggi konsentrasi antosianin, maka semakin tinggi pula arus dan tegangan keluaran yang dihasilkan.