kinerja solid state dye sensitized solar cell … filedr. sayekti wahyuningsih, ... berbasis p-n...

i

KINERJA SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(SSDSSC) BERBASIS p-n JUNCTION DENGAN TiO2

NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN CuSCN SEBAGAI

HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)

Disusun oleh :

LIYA NIKMATUL MAULA ZULFA SAPUTRI

M0312038

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan

mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Juli, 2016

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi






NIM. M0312038

Skripsi ini dibimbing oleh :

Pembimbing I Pembimbing II

Dr. Sayekti Wahyuningsih, M. Si Prof. Ir. Ari H. Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D

NIP. 19711211 199702 2 001 NIP. 19610223 198601 1 001

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :

Hari : Selasa

Tanggal : 7 Juni 2016

Anggota Tim Penguji :

1. Prof. Dra. Neng Sri Suharty, M.S., Ph.D 1. …………………………...

NIP. 19490816 198103 2 001

2. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si 2. …………………………...

NIP. 19740419 200003 2 001

Disahkan oleh

Kepala Prodi Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si

NIP. 19730124 199903 2 001

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “KINERJA

SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELL (SSDSSC) BERBASIS p-n

JUNCTION DENGAN TiO2 NANORODS SEBAGAI FOTOANODA DAN

CuSCN SEBAGAI HOLE TRANSPORT MATERIAL (HTM)” adalah benar-

benar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk

memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan

saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan

oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan

dalam daftar pustaka.

Surakarta, Juli 2016


iv






Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas

Maret, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian mengenai kenerja Solid State Dye Sensitized Solar Cell

(SSDSSC) berbasis pn junction dengan TiO2 nanorods sebagai fotoanoda dan

CuSCN sebagai hole transport material (HTM). TiO2 nanorods disintesis dengan

tahapan mekanikakimia ball milling pada kecepatan 1000 rpm selama 5 jam dan

hidrotermal perlakuan basa kuat NaOH 12 M pada suhu 150 oC selama 24 jam

dengan variasi kalsinasi pada suhu 400, 500, dan 600 oC. Sintesis CuSCN

membutuhkan kation Cu(I) sebagai ion Cu yang dihasilkan dari pembentukan

kompleks ion Cu(II) dengan Na2S2O3 dan anion KSCN sebagai sumber ion

tiosianat. CuSCN disintesis dengan variasi konsentrasi prekursor CuSO4.5H2O,

Na2S2O3, dan KSCN. CuSCN berperan dalam regenerasi elektron-hole sebagai

hole transport material (HTM) dengan mekanisme hopping pada SSDSSC.

Material dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron

Microscope (SEM), dan Transmission Electron Microscope (TEM). Perlakuan

mekanikakimia ball milling menunjukkan adanya transormasi fase TiO2 dari

anatase menjadi brookite, sedangkan proses hidrotermal menunjukkan adanya

fase anatase, brookite, dan rutile pada suhu kalsinasi 400 oC. Pada suhu kalsinasi

500 dan 600 oC terdiri dari dua fase brookite dan rutile. Perubahan transformasi

TiO2 ke bentuk nanorods ditunjukkan oleh bentuk batang-batang oleh mikrograf

TEM dan meningkatkan luas permukaan material TiO2 menjadi 111, 859 m2/g.

Celah pita CuSCN yang dihasilkan yaitu 3,4- 4,68 eV dan serapan absorbansi pada

daerah UV 200-300 nm yang mengindikasikan bahwa CuSCN bersifat transparan.

Nilai konduktivitas optimum yaitu 1,27 x 10-4 S.m-1 yang dihasilkan oleh CuSCN

A. CuSCN sebagai HTM dan rekayasa struktur fotoanoda TiO2 nanorods mampu

memberikan efisiensi dengan hasil optimum pada penggunaan CuSCN A sebesar

0,097%.

Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, hole transport material (HTM), SSDSSC

v

PERFORMANCE OF SOLID STATE DYE SENSITIZED SOLAR CELLS

(SSDSSC) BASED ON pn JUNCTION WITH TiO2 NANORODS AS

PHOTOANODE AND CuSCN AS HOLE TRANSPORT MATERIAL

(HTM)


Departement of Chemsitry, Mathematics and Natural Science Faculty, Sebelas

Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126

ABSTRACT

Performance of Solid State Dye Sensitized Solar Cells (SSDSSC) based on pn

jucntion with TiO2 nanorods as photoanode and CuSCN as hole transport material

(HTM) have been studied. Synthesis of nanorods TiO2 was conducted through

mechanochemical of ball milling at speed of 1000 rpm for 5 hours and strong base

NaOH 12 M reaction by hydrothermal at 150 oC overnight on variation calcination at

400, 500, and 600 oC. Synthesis of CuSCN requires the Cu(I) cations as a copper

ions source which is obtained by complexing Cu(II) ions using Na2S2O3. The anion

source KSCN as thiocyanate ions. CuSCN was synthesized on variation

concentration of CuSO4.5H2O, Na2S2O3, and KSCN precursors. Material

characterization were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron

Microscope (SEM), and Transmission Electron Microscope (TEM).

Mechanochemical treatment by ball milling showed phase transformation of TiO2

from anatase to brookite, while strong base reaction by hydrothermal showed the

presence of anatase, brookite, and rutile phase for calcination up to 400 oC. The

diffraction pattern of calcination at 500 and 600 oC contains peaks of both brookite

and rutile phase. Morphology transformation of TiO2 to form nanorods TiO2 was

showed by rod-shaped from TEM micrographs and increase surface area into

111,859 m2/g. CuSCN bandgap was obtained 3,4-4.68 eV and absorption in the UV

absorbance of 200-300 nm indicating that was formed transparent CuSCN. The

optimum conductivity value of 1.27 x 10-4 S.m-1 produced by CuSCN A. CuSCN

as HTM and engineering structure of TiO2 nanorods as photoanode able to provide

optimum efficiency of SSDSSC up to 0.097%.

Kata kunci : TiO2 nanorods, CuSCN, holetransport material (HTM), SSDSSC

vi

MOTTO

“Ilmu itu tidaklah didapatkan dengan jasad yang santai (HR.Muslim). Maka

bersabarlah dalam menuntut ilmu. Karena sesungguhnya bersama kesulitan ada

kemudahan (Q.S. Al-Insyirah: 5)”

vii

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan untuk :

1. Kedua orang tua bapak dan ibu

2. Adik-adikku

3. Rekan penelitian “Rombongan 2012”

4. Teman - teman jurusan kimia angkatan 2012

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan

rahmat, karunia, dan ijin-Nya sehingga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini

untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.

Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan

dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan

ucapan terima kasih kepada :

1. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1

2. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc. (Hons), P.hD selaku

Pembimbing 2

3. Ibu Dr. Triana Kusumangsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia

FMIPA UNS

4. Ibu Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku Pembimbing Akademis

5. Ibu Dr. Khoirina Dwi N., M.Si selaku ketua Laboratorium Kimia FMIPA

UNS.

6. Bapak dan Ibu dosen Kimia FMIPA UNS

7. Semua pihak yang telah membantu.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu

penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang

lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan

memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin

Surakarta, Juli 2016

Liya Nikmatul Maula Zulfa Saputri

ix

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i

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

HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................... iii

HALAMAN ABSTRAK ................................................................................ iv

HALAMAN ABSTRACT ............................................................................. v

HALAMAN MOTTO .................................................................................... vi

PERSEMBAHAN .......................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ................................................................................... viii

DAFTAR ISI .................................................................................................. ix

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

DAFTAR TABEL .......................................................................................... xiii

DAFTAR SIMBOL ........................................................................................ xiv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. xv

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

A. Latar Belakang .............................................................................. 1

B. Perumusan Masalah ....................................................................... 7

C. Tujuan Penelitian ........................................................................... 7

D. Manfaat Penelitian......................................................................... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 8

A.Tinjauan Pustaka ............................................................................ 8

1. Semikonduktor tipe-n, tipe-p, dan pn junction .......................... 8

2. Solid state dye sensitized solar cell (SSDSSC) ......................... 10

4. Komponen SSDSSC .................................................................. 13

5. Semikonduktor Tipe-p CuSCN sebagai HTM pada SSDSSC . 15

6. Semikonduktor Tipe-n TiO2 sebagai fotoanoda pada SSDSSC 17

7. Analisis Instrumen ..................................................................... 22

B. Kerangka Pemikiran ...................................................................... 31

C. Hipotesis ........................................................................................ 33

x

BAB III METODOLOGI PENELITIAN....................................................... 34

A. Metodologi Penelitian .................................................................. 34

B. Waktu dan Tempat Penelitian ...................................................... 34

C. Bahan dan Alat ............................................................................. 35

1. Alat ......................................................................................... 35

2. Bahan ...................................................................................... 35

D. Prosedur Penelitian ....................................................................... 36

1. Sintesis CuSCN ...................................................................... 36

2. Sintesis TiO2 nanorods ........................................................... 36

3. Pembentukan senyawa kompleks sebagai dye ....................... 37

4. Fabrikasi DSSC ...................................................................... 37

5. Teknik Pengumpulan Data .................................................... 39

6. Analisis Data ......................................................................... 39

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ............................... 42

A. Sintesis CuSCN ............................................................................ 41

B. Sintesis TiO2 nanorods ................................................................. 47

C. Uji Performa SSDSSC ................................................................. 54

BAB V PENUTUP ......................................................................................... 58

A. Kesimpulan ................................................................................... 58

B. Saran ............................................................................................. 58

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 59

LAMPIRAN ................................................................................................... 68

xi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Ilustrasi level energi elektron pada semikonduktor

ekstrinsik (a)semikonduktor tipe-n (b) semikonduktor

tipe-p. ECB, EVB, Eg, EF menunjukkan energi pita

konduksi, pita valensi, celah pita, dan Fermi ................

9

Gambar 2. Diagram pita energi pn juction pada kesetimbangan

termal. Ec, EF, Ei, Ev menunjukkan energi pita konduksi,

fermi, instrinsik, dan valensi .........................................

10

Gambar 3. Proses elektronik pada SSDSSC ................................... 12

Gambar 4. Contoh nilai celah pita CuSCN ..................................... 16

Gambar 5. Struktur Kristal TiO2 (a) anatase (b) rutile (c) brookite 18

Gambar 6. Ilustrasi pergerakan elektron (a) TiO2 nanopartikel (b)

TiO2 1 dimensi ...............................................................

19

Gambar 7. Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu

kalsinasi 400 hingga 800 °C ..........................................

21

Gambar 8. Ukuran kristal TiO2 fase anatase dan rutile pada suhu

kalsinasi 400 hingga 1000 °C ........................................

22

Gambar 9. Contoh pola difraktogram TiO2 ball milling pada

variasi kecepatan 400, 500, 600 rpm hasil Rietvield

refinement ......................................................................

24

Gambar 10. Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada

sampel ............................................................................

25

Gambar 11. Morfologi TEM material TiO2 ...................................... 27

Gambar 12. Spektrum UV-Vis kompleks Fe-polipiridil ................... 29

Gambar 13. Penentuan celah pita energi CuSCN ............................. 29

Gambar 14. Skema ilustrasi lapis tipis TiO2 ..................................... 38

Gambar 15. Pola difraktogram X-Ray (a) standar JCPDS α & β

CuSCN (b) CuSCN A (c) CuSCN B (d) CuSCN C ......

42

xii

Gambar 16. Pola difraktogram hasil proses Rietvield refinement

CuSCN ..........................................................................

44

Gambar 17. Morfologi SEM CuSCN A, B, dan C ............................ 44

Gambar 18. Spektra absorbansi (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)

CuSCN C .......................................................................

45

Gambar 19. Nilai celah pita (—) CuSCN A (—) CuSCN B (—)

CuSCN C .......................................................................

46

Gambar 20. Spektra konduktivitas (—) CuSCN A (—) CuSCN B

(—) CuSCN C................................................................

47

Gambar 21. Pola difraktogram X-Ray (a) Standar JCPDS No. 76-

2486 fase brookite (b) Standar JCPDS No. 76-1934

fase anatase (c) TiO2 teknis (d) TiO2 hasil milling.

A=anatase, B=brookite.

48

Gambar 22. Skema mekanisme reaksi pembentukan TiO2 ............... 50

Gambar 23. Pola difraktogram X-Ray TiO2 hasil hidrotermal

dengan variasi kalsinasi (a) 400, (b) 500, dan (c) 600

°C. A: anatase, B: brookite, R: rutile ............................

50

Gambar 24. Morfologi TEM pada TiO2 nanorods diperoleh dari

proses hidrotermal dan kalsinasi 600 °C. ......................

53

Gambar 25. (a) Spektra UV-Vis (—)TiO2 (—) TiO2 dye (—) TiO2

tersensitasi dye (b) Ilustrasi TiO2 tersensitasi dye

kompleks Fe(dcbq)(bpy) ...............................................

54

Gambar 26. Kurva arus-tegangan SSDSSC pada CuSCN A ............ 55

xiii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Persentase fase TiO2 proses milling ..................................... 24

Tabel 2. Konsentrasi masing-masing prekursor dalam pembentukan

CuSCN .................................................................................

36

Tabel 3. Hasil proses Rietvield Refinement CuSCN. Rwp = R-bobot

pola difraksi, Rp = R-reabilitas, dan GOF = goodnes-of-fit ..

43

Tabel 4. Persentase fase CuSCN A, B, dan C .................................... 43

Tabel 5. Ukuran kristal CuSCN A, B, dan C ..................................... 44

Tabel 6. Ukuran kristal TiO2 teknis dan hasil proses milling ............ 48

Tabel 7. Ukuran kristal TiO2 pada variasi suhu kalsinasi .................. 52

Tabel 8. Persentase fase TiO2 pada variasi suhu kalsinasi ................. 52

Tabel 9. Luas permukaan TiO2 hasil proses milling dan nanorods 53

Tabel 10. Karakteristik kinerja SSDSSC ............................................. 56

xiv

DAFTAR SIMBOL

𝐴 luas penampang material

A konstanta celah pita

𝐴𝐴 intensitas tertinggi fase anatase

𝐴𝐵 intensitas tertinggi fase brookite

𝐴𝑅 intensitas tertinggi fase rutile

B lebar dari setengah puncak difraksi maksimum

𝐷 ukuran kristal

Eg celah pita

h konstanta Plack

η efisiensi

Ipp arus maksimum

Isc arus pendek yang terukur

k konstanta proporsionalitas

𝑘𝐴 koefisien anatase

𝑘𝐵 koefisien brookite

𝑙 tebal pellet

λ panjang gelombang

Pin sumber sinar yang diberikan

𝜌 massa jenis

θ sudut Bragg

𝑅 resistivitas

𝜎 konduktivitas

Voc voltase rangkaian terbuka yang terukur

Vpp voltase maksimum

ν kecepatan cahaya

𝑊𝐴 persentase fase anatase

𝑊𝐵 persentase fase brookite

𝑊𝑅 persentase fase rutile

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Standar JCPDS TiO2 .................................................... 68

Lampiran 2. Perhitungan ukuran kristal ........................................... 70

Lampiran 3. Perhitungan persentase fase TiO2 ................................ 74

Lampiran 4. Nilai konduktivitas CuSCN ......................................... 75

Lampiran 5. Perhitungan efisiensi SSDSSC .................................... 76

kinerja solid state dye sensitized solar cell … filedr. sayekti wahyuningsih, ... berbasis p-n...

Documents