fabrikasi hollow fibers tio dengan 2 co-doping zn dan fe ... · didoping zn, fe, dan zn-fe telah...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN

Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

TESIS

Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister

Program Studi Teknik Mesin

Oleh:

Dharmanto

NIM. S951208003

MAGISTER TEKNIK MESIN

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

2014


commit to user

ii

HALAMAN PENGESAHAN



TESIS

Disusun oleh:

Dharmanto

NIM. S951208003

Komisi

Pembimbing

Nama Tanda Tangan Tanggal

Pembimbing I Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. 14 Agustus 2014

NIP 1974090222001121002

Pembimbing II Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. 14 Agustus 2014

NIP 197504111999031001

Telah dinyatakan memenuhi syarat

pada tanggal 14 Agustus 2014

Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin

Program Pascasarjana UNS

Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.

NIP 1974090222001121002


commit to user

iii



TESIS

Disusun oleh:

Dharmanto

NIM. S951208003

Tim Penguji

Jabatan

Nama Tanda Tangan Tanggal

Ketua

Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D.

NIP 197007201999031001

14 Agustus 2014

Sekretaris Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. 14 Agustus 2014

NIP 197106151998021002

Anggota Penguji Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T.

NIP 197504111999031001


NIP 1974090222001121002

14 Agustus 2014

14 Agustus 2014

Telah dipertahankan di depan penguji

dan dinyatakan telah memenuhi syarat

pada tanggal 14 Agustus 2014

Direktur Program Pascasarjana UNS

Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S.

NIP 196107171986011001

Ketua Program Studi

Magister Teknik Mesin


NIP 1974090222001121002


commit to user

iv

PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS

Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa :

1. Tesis yang berjudul : “FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-

DOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)” ini

adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya

ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk rnernperoleh gelar akademik

serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh

orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan

disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari

terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima

sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No 17,

tahun 2010)

2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain

harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS

sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester

(enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari

sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS

berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi

Magister Teknik Mesin UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari

ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang

berlaku.

Surakarta, 14 Agustus 2014

Mahasiswa,

Dharmanto

S951208003


commit to user

v

Dharmanto, NIM: S951208003, 2014. FABRIKASI HOLLOW FIBERS TiO2

DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYE-SENSITIZED SOLAR CELL

(DSSC). Komisi Pembimbing I: Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. Pembimbing II: Dr.

Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin.

Program Pascasarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk membuat hollow fibers TiO2 yang didoping Zn,

Fe, dan Zn-Fe yang digunakan untuk meningkatkan kinerja dari dye-sensitized solar

cell. Fabrikasi semikonduktor hollow fibers TiO2 dengan menggunakan teknik co-

axial electrospinning, dengan larutan sheath menggunakan larutan titanium

isopropoxide sebagai sumber titanium dan olive oil sebagai larutan core. Sel surya

disusun dari kaca fluorine-doped tin oxide, iodine sebagai elektrolit, N719 sebagai

pewarna, dan platina sebagai counter electrode. Karakteristik semikonduktor TiO2

hollow fibers diuji dengan X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET),

scanning electron microscopy (SEM), dan ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis).

Pengujian sel surya dilakukan pada intensitas 1000 watt/m2. Hollow fibers TiO2 yang

didoping Zn, Fe, dan Zn-Fe telah berhasil dibuat dengan diameter ~160-330 nm dan

ukuran kristal ~8-11 nm. Diameter lubang yang besar diperoleh pada saat

pendopingan TiO2 dengan Zn, disusul pendopingan Fe, dan co-doping Zn-Fe.

Selanjutnya, pendopingan Zn, doping Fe, dan co-doping Zn-Fe tidak mengubah

secara signifikan besarnya energi band-gap dari semikonduktor TiO2. Sementara itu,

pendopingan Zn, doping Fe, dan co-doping Zn-Fe sangat berpengaruh pada

pembentukan fasa anatase pada TiO2. Fasa anatase terbesar diperoleh pada saat

pendopingan Zn sebesar 0,4 w% dan co-doping antara 0,4 w% Zn dengan 0,07 w%

Fe sebesar 50%:50%. Kinerja dari sel surya dengan pendopingan Zn sebesar 0,4 w%

masih lebih baik dibandingkan dengan kinerja sel surya saat didoping dengan Fe

sebesar 0,07 w%. Untuk co-doping, kinerja sel surya tertinggi diperoleh pada saat

campurannya adalah 50% Zn (0,4 w%) dengan 50% Fe (0,07 w%), dimana Voc, Jsc,

FF, dan efisiensi yang dihasilkan masing-masing adalah 0,619 V, 2,983 mA/cm2,

50,73%, dan 0,94%.

Kata kunci: hollow fibers, co-axial electrospinning, TiO2 doping Zn-Fe-Zn/Fe, dye-

sensitized solar cell


commit to user

vi

Dharmanto. S951208003. 2014. THE FABRICATION OF TiO2 HOLLOW

FIBERS WITH THE CO-DOPING OF Zn AND Fe IN DYE-SENSITIZED

SOLAR CELL (DSSC). Principal Advisor: Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. Co-

advisor: Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T. Thesis: Sebelas Maret, University.

Surakarta.

Abstract

The objective of this research is to fabricate the TiO2 hollow fibers with the

co-doping of Zn, Fe and Zn-Fe used to improve the performance of the dye-sensitized

solar cell. The fabrication of semiconductor of TiO2 hollow fibers used the co-axial

electrospinning with the sheating solution of titanium isopropoxide as the source of

titanium and olive oil as the core solution. The solar cell is composed of fluorine-

doped tin oxide glass, iodine as the electrolyte, N719 as the colorant, and platina as

the counter electrode. The characteristics of semiconductor of TiO2 hollow fibers

were tested by using the X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmet-Teller (BET),

scanning electron microscopy (SEM), and ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis).

The testing on the solar cell was conducted in the intensity of 1,000 watt/m2. The TiO2

hollow fibers which were doped with Zn, Fe and Zn-Fe could be made successfully

with the diameter of ~ 160-330 nm and the size of crystal of ~ 8-11 nm. The large

diameter of hollow fiber was obtained at the time of the doping of TiO2 with Zn

followed by the doping of Fe with the co-doping of Zn-Fe. The results of this research

are the dopings of Zn and Fe with the co-doping of Zn-Fe did not significantly

change the amount of band-gap energy of semiconductor of TiO2 where as the

dopings of Zn and Fe with the co-doping of Zn-Fe has a significant effect on the

forming of anatase phase in TiO2. The greatest anatase phase was obtained at the

time of the doping of Zn as much as 0.4 w% and the co-doping between 0.4 w%-Zn

and 0.07 w%-Fe as much as 50%:50%. The performance of the solar cell at the time

of the doping of Zn as much as 0.4 w% is still better than that at the time of the

doping of Fe as much as 0.07 w%. For the co-doping, the highest performance of the

solar cell was obtained in the mixture of 50%-Zn (0.4 w%) with 50%-Fe (0.07 w%)

with the values of Voc, Jsc, FF, and efficiency generated are respectively 0.619 V,

2.983 mA/cm2, 50.73%, and 0.94%.

Keywords: hollow fibers, co-axial electrospinning, TiO2, doping of Zn-Fe-Zn/Fe, and

dye-sensitized solar cell


commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah SWT. atas segala

nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan

sehingga dapat terselesaikan dengan baik penulisan tesis dengan judul “FABRIKASI

HOLLOW FIBERS TiO2 DENGAN CO-DOPING Zn DAN Fe PADA DYE-

SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)”. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan terima

kasih kepada:

1. Bapak Dr. techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah

memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.

2. Bapak Dr. Eng. Agus Purwanto, S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah

memberikan inspirasi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan tesis ini.

3. Seluruh Dosen Magister Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi

dan motivasi selama menjalani proses perkuliahan.

4. Bapakku Sudarman, ibuku Rudjijem, kakakku Yunianto dan Totok Kustanto,

istriku Haryati, putraku Fileisa Cahya Camila dan Muhammad Ridwan Raditya

di rumah yang telah setia memberikan nasehat dan doa.

5. Rekan-rekan di Lab. Biofuel & Advanced Energy: Pak Imam Sholahudin, Pak

Trisma, Mas Mirza, Mas Huda, Pak Lukman, Mas Tarmo, Pak Agus, Pak Bayu,

Mas Kinas, Mas Bandrio yang telah kompak berjuang saling membantu.

Harapan penulis mudah-mudahan tesis ini menjadi sumber inspirasi bagi

pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis

menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat

diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan tesis ini. Semoga tesis ini dapat menjadi

manfaat bagi kita semua.

Surakarta,

Penulis


commit to user

viii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii

PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS .............. iv

Abstrak ........................................................................................................... v

Abstract ......................................................................................................... vi

KATA PENGANTAR ................................................................................. vii

DAFTAR ISI ............................................................................................... viii

DAFTAR TABEL .......................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xi

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xiii

BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1

1.1.Latar Belakang .................................................................................. 1

1.2.Rumusan Masalah ............................................................................. 3

1.3.Tujuan Penelitian .............................................................................. 3

1.4.Manfaat Penelitian ............................................................................ 3

1.5.Batasan Masalah ............................................................................... 4

1.6.Sistematika Penulisan ....................................................................... 4

BAB II KAJIAN PUSTAKA ........................................................................ 5

2.1.Tinjauan Pustaka ............................................................................... 5

2.1.1.Peran Semikonduktor dalam Sel Surya ......................................... 5

2.1.2.Doping pada Semikonduktor ......................................................... 6

2.1.3.Berbagai Jenis Semikonduktor pada Sel Surya ............................. 9

2.2.Dasar Teori ..................................................................................... 13

2.2.1.Proses Electrospinning ................................................................ 13

2.2.2.Prinsip Kerja DSSC ...................................................................... 15

2.2.3.Karakteristik Sel Surya ................................................................ 17

BAB III METODE PENELITIAN .............................................................. 18

3.1.Tempat Pelaksanaan ....................................................................... 18

3.2.Proses Pembuatan Semikonduktor Hollow Fibers ......................... 18


commit to user

ix

3.3.Proses Pengujian Sel Surya DSSC .................................................. 20

3.4.Diagram Aliran Penelitian .............................................................. 21

BAB IV HASIL DAN ANALISIS .............................................................. 22

4.1.Analisa Unjuk Kerja Sel Surya dengan Semikonduktor

Hollow Fibers TiO2 yang Didoping Zn .......................................... 22


Hollow Fibers TiO2 yang Didoping Fe ........................................... 27


TiO2 yang dico-doping Zn-Fe ......................................................... 29

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................... 33

5.1.Kesimpulan ..................................................................................... 33

5.2.Saran ............................................................................................... 34

Daftar Pustaka .............................................................................................. 35


commit to user

x

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Berbagai bentuk semikonduktor untuk sel surya ........................................................... 8

Tabel 3.1. Parameter pengujian green fiber dan proses sintering ................................................. 18

Tabel 3.2. Parameter pengujian sel surya...................................................................................... 19

Tabel 4.1. Kinerja sel surya dengan semikonduktor hollow fiber TiO2 yang didoping

Zn ................................................................................................................................. 22

Tabel 4.2. Analisis energi band gap dan XRD dari semikonduktor hollow fiber TiO2

yang didoping Zn ......................................................................................................... 24

Tabel 4.3. Perbandingan struktur dan sifat fisik TiO2 rutile dan anatase (Ahonen,

2001 & Fujishima et. al., 1999). .................................................................................. 24

Tabel 4.4. Kinerja sel surya dengan semikonduktor hollow fiber TiO2 yang didoping

Fe .................................................................................................................................. 26


yang didoping Fe .......................................................................................................... 27

Tabel 4.6. Kinerja sel surya dengan semikonduktor TiO2 yang dico-doping Zn-Fe .................... 28


yang didoping Fe .......................................................................................................... 30

Tabel 4.8. Perbandingan hasil pengujian BET antara TiO2 solid fibers dengan TiO2

hollow fibers ................................................................................................................. 32


commit to user

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Mesin electrospinning (Dong, Z., et al., 2011) ........................................................ 12

Gambar 2.2. a) Gaya-gaya yang bekerja pada tetesan ujung suntikan; b) Lekukan

tidak stabil setelah melewati Taylor cone (Sigmund, W., et al., 2006) ................... 12

Gambar 2.3. Skema two coaxial capillaries electrospinning ...................................................... 13

Gambar 2.4. Prinsip kerja Sel Surya (DSSC) (Khalil, E.J., 2012) ................................................ 14

Gambar 2.5. Kurva I-V pada Sel Surya (Usman, I., 2001) ........................................................... 15

Gambar 3.1. Skema pembentukan hollowfibers menggunakan mesin electrospinning.............. 17

Gambar 3.2. Diagram Aliran Penelitian ........................................................................................ 20

Gambar 4.1. Foto SEM hollow fibers TiO2 yang terbentuk dari proses coaxial

electrospinning dengan larutan titanium tetra isopropoxide-PVP sebagai

shell dan olive oil sebagai core, setelah dikalsinasi pada suhu 5000C

selama 2 jam. (a) Tampak atas material hollow fibers TiO2; (b),(c),(d)

Tampak cross section dari struktur hollow .............................................................. 21

Gambar 4.2. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Zn yang

terbentuk dari proses coaxial electrospinning dengan larutan titanium

tetra isopropoxide-PVP sebagai shell dan olive oil sebagai core, setelah

dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. (a) Tampak atas material

hollow fibers TiO2 yang didoping Zn; (b), (c),(d) Tampak cross section

dari struktur hollow .................................................................................................. 22

Gambar 4.3. Pola difraksi sinar-X TiO2 dengan variasi doping Zn .............................................. 23

Gambar 4.4. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Fe yang




hollow fibers TiO2 yang didoping Fe; (b), (c),(d) Tampak cross section

dari struktur hollow .................................................................................................. 25

Gambar 4.5. Pola difraksi sinar-X pada TiO2 dengan variasi doping Fe ...................................... 27


commit to user

xii

Gambar 4.6. Foto SEM semikonduktor TiO2 hollow fibers yang didoping Zn-Fe yang




hollow fibers TiO2 yang didoping Zn-Fe; (b),(c),(d) Tampak cross

section dari struktur hollow ...................................................................................... 29

Gambar 4.7. Pola difraksi sinar-X pada semikonduktor TiO2 dengan variasi co-

doping Zn-Fe ............................................................................................................ 30

fabrikasi hollow fibers tio dengan 2 co-doping zn dan fe ... · didoping zn, fe, dan zn-fe telah...

Documents