fabrikasi dan karakterisasi dye sensitized solar...

Proseding Seminar Nasional Fisika Universitas Riau 2016 ISBN : 978-979-792-691-5

99

Fabrikasi dan Karakterisasi Dye Sensitized Solar Cell

Berbasis Nanorod ZnO dan Sensitiser Antosianin Ubi Ungu

Sri Novita

Iwantono dan Awitdrus

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, 28131, Indonesia

Email: [email protected]

ABSTRAK

Telah dilakukan pembuatan dye dari ubi ungu sebagai sensitiser pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC). Penelitian ini dilakukan dengan memvariasikan pH pelarut yang digunakan dalam ekstraksi antosianin. Ekstraksi dilakukan dengan menggunakan pelarut methanol 70% dan aqua DM yang dipanaskan dalam waterbath pada suhu 80 oC selama 1 jam. Variasi pH pelarut yang digunakan pada kondisi asam pH 1, 2, 3, 4 dan 5. Spektrum absorbsi dari dye ubi ungu diuji menggunakan spektrofotometer UV-Vis dan memerlihatkan spektrum absorbansi terjadi pada panjang gelombang 480-580 nm, dengan puncak absorbansi terjadi pada panjang gelombang 530 nm. Tingkat absorpsi paling tinggi ditunjukkan pada sampel dengan pH 1 yang memiliki nilai 2,4 a.u. DSSC dibuat dengan struktur sandwich yang terdiri dari : material aktif ZnO yang sudah diteteskan larutan dye dengan menggunakan spin coating pada kecepatan 300 rpm. Komponen penyusun berikutnya adalah larutan elektrolit dan nanopartikel platinum sebagai katalis. Performansi DSSC dengan sensitiser ubi ungu menghasilkan efisiensi tertinggi yang dihasilkan dari sampel dengan pH 1 dengan rapat arus maksimum 0,033 mA dan tegangan maksimum 0,152 V dengan efisiensi mencapai 5,02 x10-3 %. Nilai efisiensi untuk DSSC dengan antosianin ubi ungu yang lain yaitu 4,09x10-3 %, 1,40 x10-3 %, 2,39 x10-4 % dan 2,15 x10-4 %, berturut-turut untuk sampel degan nilai pH 2, 3, 4 dan 5.

Kata Kunci: DSSC, antosianin ubi ungu, pH pelarut

ABSTRACT

Synthesis of dye hybrid from purple sweet potato as a dye sensitizer of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) has been cariied out. In order to extract antocyanin of purple sweet potato, the solvent of methanol 70% was used at various pHs (1, 2, 3, 4 and 5). The extraction was caried out by utilizing methanol 70% and aqua DM under temperature of 80 oC for 1 hour. Absorption spectra of the samples was performed by using UV-Vis spectrophotometer resulting the absorption spectra occured at wavelength range 480-580 nm, with its peak observed at 530 nm. Th strongesth absorption was observed from the sample of pH 1 (2.4 a.u). DSSC was fabricated by arranging the sandwich structure containing active material of ZnO nanorods coated sweet potato dye hybrid by spin coating method at 300 rpm. Other components of the sandwich structure were electrolyt and counter electrode coated platinum nanoparticles as a catalyst. The highest efficiency of the DSSC was resulted from the sample with its pH of 1 resulting current density of 0.033 mA and maximum voltage of 0.152 V and its highest efficiency of 5,02 x10-3 %. Other DSSC with higher pH resulted lower efficiency of 4,09x10-3 %, 1,40 x10-3 %, 2,39 x10-4 % and 2,15 x10-4 %, respectively for the samples with its pH 2, 3, 4 and 5. Keywords: DSSC, anthocyanin purple sweet potato, solvent pH


100

Pendahuluan

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) tersusun

dari beberapa komponen, antara lain semikonduktor oksida, dye (pewarna), elektroda lawan dan elektrolit. Di antara beberapa semikonduktor, nanostruktur seng oksida (ZnO) dianggap sebagai salah satu

pilihan, karena ZnO memiliki kelincahan elektron lebih tinggi dibandingkan TiO2

(Gonzales & Lira-Cantu, 2009). Lapisan dye yang digunakan juga memiliki peranan

penting sebagai penyerap cahaya matahari. Dye menyerap foton sehingga elektron terluarnya menjadi ion, yang kemudian mengalir sebagai arus listrik (Smestad and Gratzel, 1998). Berbagai jenis ekstrak

tumbuhan telah digunakan sebagai fotosensitizer pada sistem DSSC, seperti ekstrak klorofil (Wang et al. 2006), karoten (Koyama et al. 2006) dan antosianin (Dai

dan Rabani, 2002). Antosianin merupakan sel pewarna yang memberi warna biru, ungu atau merah pada tumbuhan. Karena

sifatnya yang alami, antosianin lebih aman digunakan dan akan selalu ada.

Salah satu sumber antosianin yang murah dan banyak terdapat di Indonesia adalah pada ubi ungu karena pada ubi ungu

memiliki kadar antosianin yang lebih besar dari pada jenis ubi dengan varietas yang lain yaitu sebesar 11,051 mg/100 gr (Arixs, 2006). Nilai tersebut memiliki rentang kadar konsentrasi yang setara dengan

blackberry, cranberry dan anggur (Bridgers,

2010).

Usaha untuk meningkatkan efisiensi DSSC

terus dilakukan dalam rangka mencari energi terbarukan yang ramah lingkungan. Pembuatan DSSC pada penelitian ini dilakukan melalui proses penumbuhan nanorod ZnO dengan memanfaatkan

ekstraksi antosianin dari ubi ungu sebagai pewarna alami serta dilakukan penumbuhan nanopartikel platinum sebagai lapisan

katalis pada elektroda lawan. Susunan DSSC seperti ini mampu meningkatkan sifat optik dan listrik nanorod ZnO, yang pada akhirnya diharapkan dapat meningkatkan performansi DSSC.

Metode Penelitian

Ekstraksi Antosianin Ubi Ungu

Ubi ungu yang sudah dikupas kulitnya dicuci bersih lalu diiris tipis dan disusun di

atas loyang kemudian dimasukkan ke dalam oven selama 72 jam dengan suhu 50 oC. Irisan ubi ungu dihaluskan dengan blender lalu diayak menggunakan ayakan

100 mess. Ubi ungu yang sudah dihaluskan ditimbang 4 gram dimasukkan ke dalam erlenmeyer kemudian ditambahkan 10 ml buffer asetat dengan (pH 5,5). Proses

berikutnya diinkubasi dengan rotari shaker

selama 60 jam dengan kecepatan 170 rpm. Setelah 60 jam ditambahkan pelarut yang sudah memiliki pH 1 ke dalam erlenmeyer kemudian dipanaskan pada waterbath pada

suhu 80 oC selama 1 jam. Setelah dipanaskan disaring dengan kertas whatman dan dimasukan ke dalam wadah yang telah dilapisi dengan aluminium foil dan disimpan di tempat yang gelap. Proses yang

sama dilalukakan untuk variasi pH pelarut 2, 3, 4 dan 5.

Uji Absorbansi Antosianin Ubi Ungu

Cairan ekstraksi antosianin yang sudah diekstrak dimasukkan ke dalam kuvet untuk diuji absorbansinya. Panjang gelombang yang digunakan adalah antara 400-700 nm.

Hal yang sama juga dilakukan pada sampel dengan pH pelarut 2, 3, 4 dan 5.


101

Penumbuhan Nanorod Zno

Proses penumbuhan nanorod ZnO diawali

dengan pembuatan larutan pembenih yaitu dengan melarutkan Zink asetat dihidrat

dengan konsentrasi 0,01M (Ridha et al, 2013) ke dalam 10 mL ethanol. Selanjutnya larutan penumbuh dibuat dari Zinc Nitrate

Hexahydrate 0,1 M, HMT 0.1 M (Iwantono et al, 2014; Soaram et al, 2014) dan 20 mL DI Water. Setelah semua larutan tercampur merata lalu substrat yang sudah dibenihkan

di masukan ke dalam larutan penumbuh. Kemudian substrat dimasukan ke dalam

oven selama 8 jam pada suhu 90 . Proses

selanjutnya sampel di-annealing dalam

furnace dengan suhu 350 selama 1 jam

(Iwantono dkk, 2014).

Penumbuhan Nanopartikel Platinum

Penumbuhan nanopartikel platinum dilakukan dengan metode seed mediated

growth. Untuk menumbuhkan nanopartikel

platinum dilakukan dengan dua langkah

proses, yaitu pembenihan dan penumbuhan. Persiapan awal untuk menumbuhkan nanopartikel platinum adalah mempersiapkan larutan pembenih, yang merupakan campuran dari 1 ml K2PtCl4

0,01 M, 1 ml ascorbid acid 0,1 M, dan 20 ml DI water. Larutan pembenih yang masing-masing telah dilarutkan dengan 1 ml DI water, dicampurkan dengan 20 ml DI

water, kemudian dimasukkan ke dalam botol sampel. Sampel-sampel yang akan

dibenihkan, dimasukkan ke dalam botol dengan posisi membentuk sudut (<90ºC) terhadap dinding botol, dan dipanaskan

dalam oven selama 2 jam pada suhu 50ºC. Sampel dibilas dengan menggunakan DI

water dan dikeringkan dengan menggunakan drier. Proses penumbuhan

nanopartikel platinum, yaitu dengan menyiapkan larutan penumbuh yang

merupakan campuran dari 1 ml K2PtCl4 0,01M, 1 ml ascorbid acid 0,1 M, 8 ml PVP 10-4 M, 12 ml DI water, dan 0,25 ml

NaOH 0,1 M

Fabrikasi DSSC

Fabrikasi DSSC dimulai dengan membuat

batas daerah yang akan diuji menggunakan parafilm. Parafilm dipotong sesuai ukuran sel, pada bagian tengah dari parafilm dibuat batas daerah nanorod ZnO yang akan

diuji dengan luas 0,23 cm2, sehingga pengujian sel hanya terfokus pada daerah yang telah dibatasi tersebut. Parafilm ditempelkan di atas sampel nanorod ZnO, kemudian substrat FTO yang telah dilapisi

platinum diletakkan berhadapan dengan sampel nanorod ZnO yang telah dilapisi oleh parafilm. Sisi kanan dan kiri sel dijepit menggunakan penjepit kertas

Hasil Dan Pembahasan

Ekstraksi antosinin ubi ungu menghasilkan

cairan berwarna merah untuk pelarut dye pada pH 1 dan pH 2 dan berwarna orange untuk pelarut dye pada pH 3, 4 dan 5 seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Hasil ekstraksi antosianin ubu

ungu

Spektrum absorbansi cahaya dari antosianin ubi ungu dianalisis menggunakan spektro-


102

fotometer UV-Vis Genesys 10S. Spektrum absopsi terjadi pada panjang gelombang antara 480-580 nm, dengan puncak

absorbansi terjadi pada panjang gelombang 530 nm seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Terlihat dari gambar tersebut bahwa semakin asam (pH 1) pelarut dye maka semakin tinggi tingkat absorbansinya.

Gambar 2. Spektrum absorpsi sampel

Performansi DSSC

DSSC yang telah disusun seperti sandwich dilakukan pengujian dengan lampu halogen 100 Mw/cm2. Hasil pengujian ditampilkan pada Gambar 3 yang menunjukkan karakteristik J-V DSSC yang menggunakan dye alami dari antosianin ubi ungu dengan variasi pH pelarut. Berdasarkan hasil pengukuran, nilai arus dan tegangan yang telah dibuat dalam bentuk kurva rapat arus - tegangan (J-V), diperoleh parameter-parameter keluaran sel surya seperti dirangkum di dalam Tabel 1.

Gambar 3. Grafik karakteristik J-V

Tabel 1. Parameter fisis DSSC dengan dye ubi ungu

Berdasarkan data pada tabel tersebut dapat

dilihat bahwa nilai rapat arus pada titik daya maksimum dan efisiensi sel menurun dengan meningkatnya pH pelarut. Tampak luas daya maksimum yg paling besar adalah

dihasilkan oleh sel dengan pH pelarut 1

yang menghasilkan nilai efisiensinya paling tinggi sebesar 0,005 %. PH pelarut berpengaruh terhadap stabilitas antosianin yang dihasilkan, dimana pada pH sangat

asam (pH 1-2) antosianin berada dalam kondisi paling stabil dan paling berwarna (Markakis, 1982). Hal ini juga sesuai dengan tingkat absorbansi yang dihasilkan cukup tinggi dari pelarut dye pada pH 1.

Nilai efisiensi ini lebih rendah dibanding dengan yang dihasilkan Sumiarna (2014)

sebesar 0,03% dengan menggunakan dye alami dari buah lampeni. Perbedaan hasil

efisiensi ini terjadi karena masih rendahnya konsentrasi antosianin yang dihasilkan dari ekstraksi antosinin ubi ungu. Hasil pengujian terhadap ekstraksi antosianin dengan DSSC menunjukkan bahwa

semakin besar tinggi konsentrasi antosianin, maka semakin tinggi pula tegangan yang dihasilkan (Misbachudin, 2013).

Besar dan kecilnya tegangan yang dihasilkan tergantung jumlah muatan semikonduktor. Sesuai teori bahwa transfer elektron pada HOMO dan LUMO

tergantung pada tingkat energi ionisasinya (Xu et al, 2010). Perbedaan nilai efisiensi yang dihasilkan juga disebabkan oleh ukuran kristal dan morfologi kristal ZnO pada sel surya.


103

Kesimpulan

1. Ekstraksi antosianin ubi ungu menghasilkan warna merah untuk pH 1-

2 dan warna orange untuk pH 3-5, yang memiliki rentang absorbsi panjang gelombang 480-580 nm, dengan puncak absorbsi terjadi pada panjang gelombang 530 nm. Semakin rendah pH

pelarut dye semakin tinggi tingkat absorbsi dye terhadap cahaya.

2. Perbedaan nilai efisiensi yang dihasilkan sel surya disebabkan oleh perbedaan

ukuran kristal dan morfologi kristal nanorod ZnO dan kualitas dye yang digunakan terkait dengan stabilitas dye, dimana pada pH yang sangat asam menghasilkan efisiensi terbesar.

Ucapan Terimakasih

Penelitian ini didukung oleh Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi melalui Hibah Penelitian Kerjasama Luar

Negeri (KLN) a.n Dr. Iwantono dengan nomor kontrak: 550/UN.19.5.1.3/LT/2016

Daftar Pustaka

Abdullah, M. 2012. Pengantar Nanotekologi. Institut Teknologi Bandung. Bandung.

Grätzel, M. 2004. Conversion of Sunlight to Electric Power by Nanocrystalline

Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of

Photochemistry and Photobiology A:

Chemistry. 164: 3-14. Gonzalez-Valls, I., Lira-Cantu, M. 2009.

Vertically-aligned nanostructures of ZnO for excitonic solar cells:A review. Energy & Environmental Science 2(1):19-34.

Iwantono, Anggelina, F., Taer, E., Taslim,

R. 2015. Sel surya fotoelektrokimia

berbasis nanorod Zink Oxide (ZnO) sebagai material aktif dan nanopartikel platinum (Pt) sebagai katalis elektroda

lawan. Prosiding semirata 2015. Murakami, T. N. and M. Grätzel. 2008.

Counter Electrodes for DSC: Application of Functional Materials as Catalysts. Inorganica Chimica Acta.

361: 572-580. Phani, G., G. Tulloch, D. Vittorio, and I.

Skryabin. 2001. Titania Solar Cells: New Photovoltaic Technology.

Renewable Energy. 22 : 303-309. Smestad, G. P., & Gratzel, M. 1998.

Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology : A Natural Dye-sensitized Nanocrystalline Energy

Converter. J. Chem. Educ. 75: 752-756.

Soaram, K., Hyunggil, P., Giwoong, N., Hyunsik, Y., Byunggu, K., Iksoo, J.,

Younggyu, K., Ikhyun, K., Youngbin, P., Daeho, K., and Jae-Young, L. 2014. Hydrothermally Grown Boron-

Doped ZnO Nanorods for Various Applications: Structural, Optical, and

Electrical Properties. Electronic

Materials Letters.10 (1) :81-87. Wang, X., Song. J., & Wang, Z. L. 2007.

Nanowire and nanobelts arrays if zinc

oxide from synthesis properties and to level devices. Journal of materials

Chemistry 17(8):711-720. Wang, H., Baek, S., Song, J., Lee, J., &

Lim, S. 2008a. Microstructural and

optical characteristic of solution-

grown Ga-Doped ZnO nanorod arrays. Nanotechnology 19(7):075607.

fabrikasi dan karakterisasi dye sensitized solar...

Documents