MEMBRAN ELEKTROLIT POLISTIRENA TERSULFONASI

UNTUK APLIKASI DYE-SENSITIZED SOLAR CELL

DENGAN PEWARNA ACID BLUE 80

NAZMU SYAKIB

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2016

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Elektrolit

Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi Dye-sensitized Solar Cell dengan Pewarna

Acid Blue 80 adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan

belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber

informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak

diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam

Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.

Bogor, Agustus 2016

Nazmu Syakib

NIM G44120078

ABSTRAK

NAZMU SYAKIB. Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi

Dye-sensitized Solar Cell dengan Pewarna Acid Blue 80. Dibimbing oleh SRI

MULIJANI dan ARMI WULANAWATI

Polimer membran elektrolit adalah polimer yang mampu menghantarkan

elektron karena memiliki gugus elektrofilik atau hidrofilik, seperti gugus sulfonat.

Polistirena tersulfonasi (PSS) disintesis dari polistirena (PS) yang direaksikan

dengan asam sulfat berasap selama + 2 jam. Derajat sulfonasi (DS) yang

didapatkan adalah 31.41% dan produk ini dicirikan dengan fourier transform-

infrared menunjukkan serapan dari gugus sulfonat pada 1070.40, 1122.57, dan

1277.5 cm-1

. Pewarna yang digunakan penelitian ini adalah acid blue 80 (AB80)

yang dikonfirmasi dengan spektrum UV-Vis, menunjukkan serapan maksimum

pada panjang gelombang 581.6 dan 625.6 nm. Semikonduktor yang digunakan

dalam penelitian adalah titanium dioksida (TiO2) Hasil efisiensi dye-sensitized

solar cell (DSSC) rangkaian adalah TiO2 0.06%, TiO2/PS 0.01%, dan TiO2/PSS

0.11%. PSS berpotensi untuk dijadikan membran elektrolit pada DSSC dengan

meningkatnya efisiensi dibandingkan TiO2 saja ataupun TiO2/PS. Akan tetapi,

DSSC yang dihasilkan masih memperlihatkan kinerja yang rendah (< 1%).

Kata kunci: acid blue 80, DSSC, membran elektrolit, polistirena tersulfonasi

ABSTRACT NAZMU SYAKIB. Electrolyte Membrane Polystyrene Sulfonated for

Applications Dye-sensitized Solar Cell with dye Acid Blue 80. Supervised by SRI

MULIJANI and ARMI WULANAWATI

Polymer electrolyte membrane is a polymer that is capable of delivering

electrons because it has electrophilic group or hydrophilic, such as sulfonate

groups. Sulfonated polystyrene (PSS) was synthesized from polystyrene (PS) with

reacting using fuming sulfuric acid for + 2 hours. The degree of sulfonation (DS)

was 31.41% and the product was characterized using fourier transform-infrared,

showing an uptake of sulfonate group at 1070.40, 1122.57, and 1277.5 cm-1

. The

dyes used in this study was acid blue 80 (AB80), which was confirmed using UV-

Vis spectrum, showing maximum absorption at wavelength of 581.6 and 625.6

nm. Semiconductor used in experiment was titanium dioxide (TiO2). The

efficiency of dye-sensitized solar cell (DSSC) of each circuit is TiO2 0.06%,

TiO2/PS 0.01%, and TiO2/PSS 0.11%. The PSS is potential to be used as the

electrolyte membrane on DSSC with higher efficiency than that of TiO2 or

TiO2/PS. However, the resulting DSSC still have low performance (< 1%).

Keywords: acid blue 80, DSSC, electrolyte membrane, sulfonated polystyrene

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains

pada

Departemen Kimia

MEMBRAN ELEKTROLIT POLISTIRENA TERSULFONASI

UNTUK APLIKASI DYE-SENSITIZED SOLAR CELL

DENGAN PEWARNA ACID BLUE 80

NAZMU SYAKIB

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2016

Judul skripsi : Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi Dye-

sensitized Solar Cell dengan Pewarna Acid Blue 80

Nama : Nazmu Syakib

NIM : G44120078

Disetujui oleh

Dr Sri Mulijani, MS

Pembimbing I

Armi Wulanawati, SSi, MSi

Pembimbing II

Diketahui oleh

Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS

Ketua Departemen Kimia

Tanggal Lulus:

PRAKATA

Puji syukur penulis haturkan kepada Allah SWT yang telah memberikan

anugerah dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat meyelesaikan karya ilmiah yang

berjudul Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi Dye-

sensitized Solar Cell dengan Pewarna Acid Blue 80. Karya ilmiah ini disusun

berdasarkan penelitian yang dilaksanakan penulis pada bulan Maret 2016 hingga

Juli 2016 di Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB dan Laboratorium

Biomaterial Departemen Fisika.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Dr Sri Mulijani, MS dan Ibu Armi

Wulanawati, SSi, MSi selaku pembimbing atas bimbingan dan dukungan yang

diberikan kepada penulis selama melakukan penelitian dari awal hingga selesai.

Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu (Erna Mu’tamanah) dan

Bapak (Sudrajat), Kakak, Adik, Paman, beserta seluruh keluarga atas do’a,

dukungan, perhatian, dan pengertiannya. Terima kasih penulis juga sampaikan

kepada pemerintah yang telah membantu biaya kuliah penulis melalui beasiswa

Bidikmisi IPB, serta pihak-pihak di Laboratorium Kimia Fisik IPB, antara lain

Bapak Mail dan Ibu Ai. Terima kasih juga pihak Departemen Fisika Bapak Dr

Akhirudin Maddu, MSi, dan pihak BATAN Bapak Drs Erizal, APU. Ungkapan

terima kasih juga disampaikan kepada teman-teman, Andreas, Aziz, Suci, Kakak

Putri, Kakak Vina, Aisyah, Kakak Dian, Astuti, Melisa, dan rekan-rekan

seperjuangan penelitian, dan teman-teman Kimia 49 atas perhatian, saran, dan

bantuannya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi penulis maupun pembaca.

Bogor, Agustus 2016

Nazmu Syakib

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR LAMPIRAN vi

PENDAHULUAN 1

BAHAN DAN METODE 2

Alat dan Bahan 2

Prosedur 2

HASIL DAN PEMBAHASAN 4

Membran Polistirena Tersulfonasi (PSS) 4

Derajat Sulfonasi 5

Ciri Membran PSS dengan FTIR 6

Ciri Pewarna Acid Blue 80 7

Aplikasi DSSC 8

SIMPULAN DAN SARAN 11

Simpulan 11

Saran 11

DAFTAR PUSTAKA 11

LAMPIRAN 14

DAFTAR GAMBAR

1 Hasil cetak membran PS (a) dan PSS (b) 4

2 Mekanisme reaksi sulfonasi polistirena 5

3 Spektrum FTIR PS (–) dan PSS (–) 6

4 Struktur acid blue 80 7

5 Prinsip kerja DSSC 8

6 Kurva I-V DSSC TiO2 9

7 Kurva I-V DSSC TiO2/PS 9

8 Kurva I-V DSSC TiO2/PSS 9

DAFTAR LAMPIRAN

1 Diagram alir penelitian 14

2 Penentuan derajat sulfonasi 15

3 Penentuan panjang gelombang maksimum AB80 dengan UV-Vis 15

4 Spesifikasi AB80 16

5 Hasil pengukuran tegangan dan arus DSSC 17

6 Hasil uji kinerja DSSC 18

PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi dan ledakan penduduk membuat kekhawatiran

terbatasnya ketersediaan energi dari minyak bumi yang merupakan sumber energi

utama di dunia. Penggunaan minyak bumi juga menimbulkan dampak negatif

terhadap lingkungan, terutama emisi gas karbon yang dihasilkan. Oleh karena itu,

diperlukan energi alternatif yang dapat diperbaharui dan ramah lingkungan, salah

satunya pemanfaatan energi matahari (Miley 2013). Pemanfaatan energi matahari

dapat dilakukan dengan sel surya. Sel surya merupakan sel bahan bakar yang

mengkonversi pancaran energi cahaya matahari menjadi energi listrik (Hu dan

White 1983). Sel surya banyak dikembangkan karena memiliki keunggulan pada

sumber energi yang sangat besar dari matahari, sekitar 380 × 1021

kW dan

intensitas yang diterima oleh bumi sekitar 170 × 1012

kW (Phani et al. 2001).

Dye-sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya generasi ketiga yang

banyak dikembangkan karena biaya produksi lebih murah dan pembuatannya

lebih mudah (Grätzel 2003). Komponen DSSC terdiri dari elektrode kerja,

pewarna, dan elektrode lawan. Elektrode kerja merupakan kaca indium tin oxide

(ITO) yang dilapisi semikonduktor pada bagian konduktifnya. Sisi konduktif kaca

ITO memiliki nilai hambatan 15–25 Ω. Penelitian ini menggunakan titanium

dioksida (TiO2) untuk semikonduktornya. Senyawa TiO2 dipilih karena memiliki

sifat fotokatalisis, murah, dan ramah lingkungan (Landman et al. 2012).

Semikonduktor berfungsi sebagai penerima dan pengumpul elektron dari oksidasi

pewarna (Damayanti et al. 2014). Kinerja DSSC hingga saat ini baru dapat

mencapai kinerja maksimum dengan efisiensi 11% (O` Regan dan Grätzel 1991).

Penelitian DSSC saat ini terus berkembang dengan adanya polimer

membran elektrolit (PME). PME adalah polimer yang mampu mengantarkan

elektron, karena bersifat konduktif dengan adanya gugus elektrofilik (Gledhill et

al. 2005). Salah satu DSSC dengan penambahan polimer yang telah

dikembangkan dan telah dikomersilkan adalah polietilena tereftalat (PET) oleh

Solaronix. PET memiliki kelemahan, yaitu tidak tahan terhadap suhu tinggi,

sehingga efisiensi menurun (Miettunen et al. 2009). Penelitian sebelumnya

dilakukan menggunakan PET Solaronix dengan pewarna N-719 (kompleks

rutenium) dan semikonduktor TiO2 yang dilapiskan dengan teknik slip casting

diperoleh efisiensi sebesar 0.167% (Qibtiya et al. 2013). Penelitian lain juga telah

dilakukan dengan menggunakan PME dari pati sebagai membran elektrolitnya

memperoleh efisiensi 0.63% (Singh et al. 2014).

Upaya mengatasi kelemahan tersebut adalah mengganti PME menggunakan

polimer lain, seperti polistirena tersulfonasi (PSS) dari bahan utama styrofoam

yang mengandung polistirena (PS) 90–95%. PS adalah salah satu polimer yang

memiliki cincin benzena yang memiliki ikatan terkonjugasi (Mujiarto 2005). PS

mempunyai sifat titik leleh 180–260 ºC, sehingga dapat tetap bertahan pada suhu

tinggi. Selain itu, penggunaan styrofoam sebagai bahan utama merupakan

pemanfaatan limbah, karena styrofoam sangat sulit penanggulangannya dan tidak

dapat diuraikan oleh alam (BPOM 2008). Pemanfaatan limbah styrofoam

dilakukan dengan cara meningkatkan sifat hidrofiliknya yang salah satunya ialah

dengan penambahan gugus sulfonat melalui sulfonasi (Mulijani et al. 2014).

Pewarna merupakan komponen penting pada DSSC. DSSC mengggunakan

pewarna sebagai bahan aktif cahaya, karena sifat fotokatalisis TiO2 hanya aktif

pada daerah UV. Penambahan pewarna membuat DSSC mampu menjerap cahaya

pada daerah sinar tampak (Landman et al. 2012). Pewarna yang digunakan pada

penelitian ini adalah acid blue 80 (AB80) dari Sigma Aldrich. Warna dari AB80

adalah berwarna biru gelap, sehingga menjerap panjang gelombang pada kisaran

550–750 nm (Day dan Underwood 2002).

Penelitian ini bertujuan mensintesis PSS dari limbah styrofoam, mencirikan,

dan mengaplikasikannya untuk DSSC sebagai polimer membran elektrolit, serta

menentukan pengaruh penambahan polimer elektrolit PSS pada kinerja DSSC.

BAHAN DAN METODE

Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan adalah alumunium foil, botol gelap, gelas ukur,

gelas piala, oven, pengaduk bermagnet, pipet volumetrik, potensiometer-

multimeter, lempeng pemanas, fotometer-radiometer PMA2200, penjepit kertas,

termometer, kaca untuk cetakan, kertas tisu, mortar, porselin, neraca analitik,

sarung tangan lateks, sonikator, dan solatif. Bahan-bahan yang digunakan adalah

kaca konduktif indium titanium oksida (ITO) 15–25 Ω (Solaronix), serbuk

titanium dioksida (TiO2) rutil (> 35 nm), pewarna sintetik acid blue 80 (AB80)

(Sigma Aldrich), styrofoam, Triton X-100 (Merck).

Prosedur

Preparasi Polistirena Tersulfonasi (Mulijani et al. 2014)

Limbah styrofoam dipanaskan di dalam oven pada suhu 100 ºC selama 1–2

jam. Sebanyak 5 g styrofoam kering dilarutkan ke dalam 50 mL kloroform,

kemudian disulfonasi dengan asam sulfat pekat berasap sambil diaduk dengan

pengaduk magnet selama + 2 jam pada suhu 60–80 ºC. Kemudian larutan PSS

didekantasi dan dikeringkan selama 24 jam pada suhu ruang.

Penentuan Derajat Sulfonasi, DS (Apriliana 2012)

Sebanyak 0.1 g PSS direndam dalam 10 mL NaOH 1 N selama + 3 hari.

Kemudian larutan dititrasi dengan HCl 1 N dengan indikator fenolftalin (pp).

Titrasi dilakukan sampai terjadi perubahan warna dari merah muda hingga tak

berwarna. Volume HCl yang terpakai pada titrasi NaOH tanpa sampel sebagai

volume awal, sedangkan volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH dengan

sampel sebagai volume akhir. Derajat sulfonasi ditentukan melalui persamaan

berikut:

3

𝐷𝑆 =(𝑉𝑎𝑤𝑎𝑙 − 𝑉𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟)𝑥 𝑁𝐻𝐶𝑙𝑥 𝐵𝐸𝑆𝑂3

𝑏𝑜𝑏𝑜𝑡 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑒𝑙 𝑥100%

Keterangan:

Vawal : volume HCl blangko (mL)

Vakhir : volume HCl sampel (mL)

NHCl : normalitas HCl (N)

BESO3 : bobot ekuivalen SO3 (80,06 g/ek)

Pencirian Membran

Sampel membran dibuat dalam bentuk lapisan tipis kemudian ditempatkan

dalam cell holder dan diukur spektrumnya dengan fourier transform-infrared

(FTIR) Shimadzu untuk melihat masuknya gugus fungsi sulfonat (-SO3H) ke

dalam PSS.

Penentuan Panjang Gelombang Maksimum Pewarna Acid Blue 80

Pengujian tingkat penyerapan warna dari acid blue 80 (AB80) yang

digunakan sebagai pewarna yang dianalisis menggunakan UV-1601 UV-Vis

Spektrofotometer Shimadzu dengan kisaran panjang gelombang 500–700 nm.

Preparasi Elektrode Sel Surya

Sebanyak 1 g serbuk TiO2 dimasukkan ke dalam gelas piala 100 mL,

kemudian ditambah dengan 10 mL asam nitrat pH 5 dan beberapa tetes triton-X

100. Larutan TiO2 diaduk menggunakan pengaduk bermagnet selama 30 menit.

Sementara itu, kaca ITO dibersihkan dengan etanol dalam sonikator dan

dikeringkan pada suhu ruang. Bagian konduktif kaca ITO diuji menggunakan

multimeter mode resistansi (Ω) yang akan menunjukkan nilai hambatan 15–25 Ω.

Kaca ITO yang telah dibersihkan disimpan di atas tempat datar untuk disolatif

agar membentuk batas dengan luasan terbuka 0.5 × 0.5 cm2 dengan posisi

konduktifnya di bagian atas untuk dilapisi TiO2. Setelah pasta TiO2 homogen,

pasta tersebut dituang di atas kaca ITO dan diratakan dengan batang pengaduk.

Kaca ITO berlapis TiO2 tersebut dibiarkan beberapa saat agar mengering,

kemudian dipanaskan pada suhu 150–300 ºC untuk mengaktivasi TiO2.

Elektrode kerja terdiri atas kaca konduktif ITO yang dilapisi TiO2 pasta

yang telah direndam dalam larutan pewarna acid blue 80 selama + 2 jam. Pasta

TiO2 digunakan sebagai lapisan pertama pada kaca ITO. Setelah dilapisi TiO2,

dilapisi kembali dengan PS dan PSS.

Uji Aplikasi DSSC

Kaca konduktif ITO yang telah dilapisi TiO2, PS atau PSS, dan telah

disensitasi (elektrode kerja) dicelupkan ke dalam larutan KI 0.5 M dalam bejana

bening. Kemudian, elektrode kerja dihubungkan dengan alat pengukur kombinasi

potensiometer-multimeter. Elektrode kerja dihubungkan dengan elektrode lawan

platina (Pt), pengukuran dilakukan di bawah terik matahari (Adachi dan Hoshi

2013).

Pengukuran arus dan tegangan menggunakan sumber cahaya matahari

langsung pada pukul 13.00–14.00 WIB dengan intensitas global rerata 118 W/m2

(a) (b)

yang terukur oleh fotometer-radiometer PMA2200. Data yang dihasilkan dibuat

kurva arus-tegangan (I-V). Dari kurva yang dihasilkan dapat ditentukan

parameter-parameter keluaran sel surya, yaitu arus rangkaian pendek (Isc),

tegangan rangkaian buka (Voc), arus maksimum (Im), tegangan maksimum (Vm),

daya maksimum (Pm), fill factor (FF), dan efisiensi konversi (ƞ). Nilai Isc diukur

pada saat hambatan luar dibuat bernilai nol sehingga arus yang mengalir bernilai

maksimum, sedangkan nilai Voc dapat diukur pada saat hambatan luar dibuat

bernilai maksimum sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dan tegangannya

bernilai maksimum. Nilai Im dan Vm DSSC dapat dilihat dari luasan terbesar pada

kurva karakteristik I-V.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Membran Polistirena Tersulfonasi (PSS)

Membran polistirena tersulfonasi (PSS) disintesis dengan mengalirkan gas

dari asam sulfat pekat berasap ke dalam larutan polistirena (PS) dengan

pendorong gas nitrogen (N2). Larutan PS dibuat dengan melarutkan styrofoam

yang telah dikeringkan pada suhu 100 ºC ke dalam pelarut kloroform, karena

polistirena mudah larut dalam pelarut organik berklorin (Cowd 1991). Sulfonasi

pada PS dilakukan pada suhu 60–80 ºC selama + 2 jam. Larutan PSS dicetak pada

pelat kaca dan dibiarkan mengering membentuk lembaran. Begitu juga dengan

membran PS dibuat dengan melarutkan styrofoam dengan diklorometana

secukupnya hingga kental, kemudian dicetak menjadi lembaran. Perbedaan fisik

dari PS dan PSS adalah warna membran, PS tidak berwarna (Gambar 1a),

sementara PSS berwarna putih (Gambar 1b).

Sulfonasi PS merupakan reaksi subtitusi elektrofilik, salah satu atom

hidrogen (H) pada cincin benzena oleh gugus asam sulfonat (-SO3H). Mekanisme

sulfonasi PS terjadi dalam beberapa tahapan reaksi, seperti ditunjukkan Gambar 2

(Solomons dan Fryhle 2011). Tahap pertama berlangsung adisi elektrofilik SO3

yang berasal dari asam sulfat pekat berasap ke cincin benzena secara lambat

membentuk ion arenium sulfonat. Pada tahap kedua terjadi kesetimbangan ion

arenium sulfonat menstabilkan dan mempertahankan struktur cincin benzena

dengan melepas atom H. Pada tahap ketiga terjadi pelepasan atom H dari H3O+

untuk menstabilkan muatan atom oksigen (O) pada ion hidronium (H3O+),

kemudian atom H yang lepas ditarik oleh atom O- pada gugus sulfonat

membentuk PSS. Gugus –SO3H dapat masuk ke cincin benzena pada posisi orto-

Gambar 1 Hasil cetak membran PS (a) dan PSS (b)

5

atau para-, tetapi adanya halangan sterik di posisi orto- lebih mengarahkan gugus

–SO3H pada posisi para- (Li et al. 2003).

Gambar 2 Mekanisme reaksi sulfonasi polistirena

Subtitusi gugus asam sulfonat pada PS meningkatkan hidrofilisitas dan

memberikan konduktivitas yang lebih besar, sehingga mampu meningkatkan

kapasitas pengumpulan elektron pada semikonduktor (Mulijani et al. 2014). PME

dapat menjadi media transfer elektron melalui gugus elektrofilik yang dimilikinya

(Gledhill et al. 2005).

Derajat Sulfonasi

Derajat sulfonasi (DS) ditentukan dengan cara titrasi asam-basa. Gugus

sulfonat merupakan donor proton atau asam sesuai teori Arrhenius (Chang et al.

2005), sehingga dapat ditentukan dengan titrasi asam-basa. Titrasi dilakukan

dengan cara merendam 0.1 g PSS serbuk dalam NaOH 1 N selama + 3 hari, agar

6

proton pada gugus sulfonat bereaksi dengan ion hidroksida (OH-) dari NaOH.

Kemudian, sisa OH- yang tidak bereaksi dengan proton pada gugus sulfonat

diukur dengan titrasi dengan HCl 1 N. Larutan NaOH dan HCl yang digunakan

telah distandardisasi terlebih dahulu agar diketahui konsentrasinya. Pengukuran

blangko menggunakan NaOH dari larutan stok yang sama dengan perlakuan yang

sama, tetapi tanpa ditambah sampel PSS.

Hasil pengukuran sampel mendapatkan DS rerata sebesar 31.41%

(Lampiran 2), sehingga dikatakan PSS telah terbentuk. Nilai DS yang dianjurkan

berada pada kisaran 30–60%, hal tersebut berkaitan dengan hidrofilisitas

membran PSS. DS terlalu tinggi menyebabkan mudah larut atau rusak dengan

keberadaan air di lingkungan dan sulit membentuk membran padat (Mulijani et al.

2014). Berdasarkan struktur, PSS meningkat konduktivitas protonnya

dibandingkan PS, karena gugus –SO3H merupakan gugus penarik elektron yang

membuat cincin benzena lebih aktif beresonansi menghasilkan electron hole

(Yang et al. 2005).

Ciri Membran PSS dengan FTIR

Sulfonasi pada PS dikatakan berhasil berdasarkan pengukuran DS dengan

titrasi asam-basa. Keberhasilan sintesis PSS juga dibuktikan dengan identifikasi

gugus –SO3H pada PSS menggunakan FTIR. Spektrum FTIR PS (–) dan PSS (–)

menunjukkan adanya gugus fungsi –SO3 pada membran PSS (Gambar 3).

Spektrum PS menunjukkan puncak serapan pada bilangan gelombang 1601–1452

cm-1

untuk C=C aromatik, 1943–1772 cm-1

untuk benzena monosubtitusi, 2925–

2850 cm-1

untuk C-H (sp2), 3082–3026 cm

-1 untuk C-H (sp

3), dan 757–701 cm

-1

untuk C-H monosubtitusi.

Gambar 3 Spektrum FTIR PS (–) dan PSS (–)

bilangan gelombang (cm-1

)

tran

smit

tan (

%)

p-SO3

O=S=O

-S=O -SO3

7

Adanya gugus sulfonat pada PSS dibuktikan dengan puncak serapan baru

pada bilangan gelombang 1200–1125 cm-1

untuk vibrasi regang –S=O. Daerah

serapan untuk senyawa benzena disubtitusi posisi para- berada pada bilangan

gelombang 2000–1667 cm-1

(Pavia et al. 2015). Spektrum membran PSS yang

dihasilkan menunjukkan puncak serapan pada bilangan gelombang 1274 cm-1

untuk regang –S=O asimetrik dan 1122.57 cm-1

untuk regang O=S=O simetrik.

Hal ini mengindikasikan adanya gugus sulfonat yang terbentuk pada membran

PSS.

Ciri Pewarna Acid Blue 80

Zat warna adalah zat yang memiliki serapan panjang gelombang tertentu

sesuai dengan warna komplementernya. DSSC menggunakan pewarna sebagai

penjerap cahaya matahari untuk menghasilkan energi listrik. Pewarna yang

digunakan pada penelitian ini adalah AB80 dengan warna biru gelap. Pencirian

dengan UV-Vis dilakukan untuk mengetahui serapan maksimum AB80 pada

daerah sinar tampak. Serapan maksimum didapatkan dengan melakukan

pemayaran pada kisaran panjang gelombang 500–700 nm, hasil pengukuran

ditunjukkan pada Lampiran 3. Pengukuran serapan maksimum AB80 dengan UV-

Vis menghasilkan 2 puncak panjang gelombang maksimum, yaitu pada 581.6 dan

625.6 nm (Lampiran 3).

Hasil pengukuran serapan maksimum AB80 sesuai dengan data dari

produsen Sigma Aldrich, yaitu 582 dan 627 nm (Lampiran 4). Puncak serapan

maksimum AB80 hasil pengukuran tersebut menunjukkan bahwa pewarna AB80

mampu menjerap cahaya tampak, sehingga meningkatkan konversi cahaya tampak

yang dipancarkan matahari untuk dijadikan listrik. Kemampuan pewarna AB80

sebagai zat pensensitisasi ditunjukkan dari strukturnya (Gambar 4).

Gambar 4 Struktur acid blue 80

Struktur AB80 menunjukkan gugus aktif cahaya (kromofor), yaitu keton (–

C=O) dan cincin aromatik benzena. Gugus kromofor yang kaya akan elektron

pada struktur AB80 memberikan aktivitas terhadap cahaya tampak. Pewarna

AB80 juga memiliki keunggulan lain, yaitu stabil, karena merupakan pewarna

sintetik, tetapi tidak berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan seperti dilaporkan

ECHC (2008), sehingga setelah penggunaannya tidak merusak lingkungan.

8

Aplikasi DSSC

DSSC adalah sel surya yang memanfaatkan energi dari sinar tampak yang

akan dijerap oleh zat warna aktif cahaya (sensitizer). DSSC terdiri atas berbagai

komponen, yaitu kaca konduktif ITO, semikonduktor TiO2, pewarna organik

maupun anorganik, elektrode lawan, dan elektrolit. Elektrode kerja terdiri atas

kaca konduktif ITO, yaitu kaca transparan yang bersifat konduktif pada salah satu

sisi dan non-konduktif pada sisi lainnya. Sisi konduktif kaca ITO dapat diukur

menggunakan multimeter pada mode hambatan (Ω). Kaca ITO untuk elektrode

kerja dilapisi dengan TiO2 dan pewarna yang sensitif cahaya (Dahlan dan Helga

2014). Pelapisan TiO2 pada kaca ITO dilakukan dengan teknik slip casting, yaitu

dengan menggunakan batang pengaduk atau sepatula untuk membentuk lapisan

tipis pada kaca ITO (Yulika et al. 2014). Luasan lapisan TiO2 yang digunakan

dibuat dengan ukuran 0.5 × 0.5 cm2 menggunakan pembatas solatif pada kaca ITO

2 × 1 cm2. TiO2 yang digunakan adalah fase rutil dengan ukuran partikel > 35 nm.

Prinsip kerja DSSC adalah energi foton pada sinar matahari dijerap oleh

pewarna yang melekat pada permukaan TiO2, kemudian pewarna akan teroksidasi

melepaskan elektron. Elektron yang terlepas akan ditangkap oleh TiO2 dan

diinjeksikan dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron yang tereksitasi mengalir

melalui rangkaian luar DSSC menghasilkan arus (Gambar 5). Kemudian elektron

menuju elektrolit KI dan mengalami serangkaian reaksi redoks untuk

meregenerasi elektron yang tereksitasi dari pewarna (Prasetyo et al. 2014).

Membran elektrolit PSS meningkatkan konduktivitas dari TiO2, sehingga

meningkatkan kekuatan arus listrik yang dihasilkan (Fouassier dan Jacques 2015).

Gambar 5 Prinsip kerja DSSC

Arus dan tegangan DSSC TiO2, TiO2/PS, dan TiO2/PSS terukur ditunjukkan

pada Lampiran 5. Arus dan tegangan terukur tersebut dialurkan menjadi kurva

tegangan terhadap arus untuk melihat tegangan maksimum (Vm), arus maksimum

(Im), tegangan sirkuit terbuka (Voc), arus sirkuit pendek (Isc), fill factor (FF).

Kinerja sel surya dapat dilihat dari efisiensi yang dihasilkan oleh DSSC.

Pengukuran dilakukan pada pukul 13.00–14.00 WIB di pelataran Laboratorium

Fisika Biomaterial. Intensitas global (IG) cahaya matahari selama pengukuran

didapat sebesar 118 W/m2 yang diukur menggunakan fotometer-radiometer

9

PMA2200. Hasil pengukuran I-V ketiga rangkaian DSSC dialurkan pada Gambar

6, 7, dan 8.

Gambar 6 Kurva I-V DSSC TiO2

Gambar 7 Kurva I-V DSSC TiO2/PS

Gambar 8 Kurva I-V DSSC TiO2/PSS

Kurva tegangan dan arus DSSC TiO2, TiO2/PS, dan TiO2/PSS diperoleh

pada ketiga rangkaian menunjukkan kinerja DSSC berdasarkan Vm dan Im. Nilai

10

Vm yang dihasilkan DSSC TiO2 (206 mV) > TiO2/PSS (172 mV) > TiO2/PS (30

mV). Nilai Im yang dihasilkan DSSC TiO2/PSS (19.4 µA) > TiO2/PS (12 µA) >

TiO2 (8.1 µA). Vm dan Im pada kurva ditentukan dengan mengalikan V dan I

terukur, dipilih luas daerah kurva terbesar. Kurva Vm dan Im menunjukkan daya

makasimum yang bisa dihasilkan oleh DSSC. Daya maksimum yang dihasilkan

DSSC dengan membran PSS menunjukkan nilai lebih besar daripada TiO2 dan

TiO2/PS, hal tersebut karena PSS meningkatkan konduktivitas dari DSSC,

sedangkan PS menurunkan konduktivitas, karena bersifat hidrofobik. Parameter

kinerja DSSC penting lainnya adalah Voc, Isc, FF, dan η (Tabel 1).

Tabel 1 Parameter terukur dari kurva I-V

Parameter TiO2 TiO2/PS TiO2/PSS

Voc (mV) 227.00 48.00 217.00

Isc (µA) 9.70 13.60 19.70

Vm (mV) 206.00 30.00 172.00

Im (µA) 8.10 12.00 19.40

FF (%) 75.78 55.15 78.06

η (%) 0.06 0.01 0.11

Voc ditentukan dengan cara mengondisikan hambatan maksimum (Rmaks)

dan I = 0 A, sedangkan Isc ditentukan dengan mengondisikan R = 0. Berdasarkan

kurva I-V nilai Voc dan Isc diperoleh dengan cara aproksimasi, yaitu dengan

melihat nilai terkecil yang mendekati nol. Berdasarkan data Tabel 1, penambahan

PS menurunkan kinerja, karena PS konduktivitasnya rendah, sedangkan

penambahan PSS meningkatkan kinerja, karena PSS memiliki konduktivitas yang

lebih baik. Hal tersebut juga ditunjukkan pada perhitungan nilai FF dan η dari

DSSC (Lampiran 6).

Nilai FF menunjukkan kemampuan perangkat DSSC menjerap cahaya yang

dipancarkan matahari (Sunardi dan Sari 2014). Dari Tabel 1, didapatkan FF

TiO2/PSS > TiO2 > TiO2/PS, hal tersebut karena sifat PSS yang polar, sehingga

meningkatkan keaktifan terhadap cahaya. Efisiensi merupakan paramater

terpenting DSSC, yaitu kemampuan DSSC mengkonversi cahaya matahari

menjadi listrik. Hasil pengukuran η DSSC TiO2, TiO2/PS, dan TiO2/PSS berturut-

turut adalah 0.06%, 0.01%, dan 0.11%. Hasil uji efisiensi DSSC menunjukkan

kenaikan efisiensi yang signifikan antara DSSC TiO2 dan DSSC TiO2/PSS, yaitu

sebesar 83% dari 0.06% menjadi 0.11%. Penambahan PSS telah terbukti

meningkatkan kinerja DSSC dengan meningkatnya nilai efisiensi. Selain itu, arus

yang dihasilkan DSSC TiO2/PSS lebih besar daripada TiO2 saja dan TiO2/PS,

karena pada PSS terdapat gugus sulfonat yang membentuk electron hole (Yang et

al. 2014). Nilai FF dan η berdasarkan persamaan berbanding lurus, sehingga akan

bersesuaian. Hasil percobaan telah menunjukkan kesesuaian FF dan η, yaitu η

semakin besar dengan FF yang semakin besar.

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Dye-senstized solar cell dengan tambahan polimer membran elektrolit

polistirena tersulfonasi meningkatkan kinerja sel surya yang dihasilkan. Hasil

tersebut ditunjukkan dengan meningkatnya efisiensi yang dihasilkan dengan

penambahan polimer membran elektrolit polistirena tersulfonasi (0.11%) lebih

besar daripada TiO2 (0.06%), yaitu sekitar 83%. Teknik pembuatan lapisan TiO2

dengan teknik slip casting kurang baik, dengan bentuk lapisan masih terlalu tebal.

Kinerja dye-senstized solar cell dengan pewarna acid blue 80 masih rendah, yaitu

arus yang dihasilkan sangat kecil, dalam mikro ampere dan efisiensi < 1% untuk

ketiga rangkaian.

Saran

Penelitian selanjutnya sebaiknya dilakukan uji mendalam menggunakan

TiO2 untuk pembuatan DSSC dengan luas permukaan yang lebih besar, yaitu

anatase (< 11 nm) untuk memaksimumkan penjerapan pewarna, serta

menggunakan teknik spin coating agar diperoleh lapisan TiO2 yang lebih tipis dan

lebih merata.

DAFTAR PUSTAKA

Adachi T, Hoshi H. 2013. Preparation and characterization of Pt/carbon counter

electrodes for dye-sensitized solar cells. Mat Lett. (94):15-18. doi:

10.1016/j.matlet.2012.11.123

Apriliana SD. 2012. Membran polistirena tersulfonasi untuk aplikasi pada

microbial fuel cell[skripsi]. Bogor (ID): IPB. [BPOM] Badan Pengawas Obat dan Makanan. 2008. Kemasan Polistirena Foam

(Styrofoam). Jakarta (ID): BPOM.

Chang R. 2005. Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti. Ed ke-3 (Jilid 2). Jakarta (ID):

Erlangga.

Cowd MA. 1991. Polymer Chemistry. London (UK): J Murray.

Damayanti R, Hardeli, Hary S. 2014. Preparasi dye sensitized solar cell (DSSC)

menggunakan ekstrak antosianin ubi jalar ungu (Ipomoea batatas L.). J

Sainstek. 2(4):148-157. Day RA, Underwood LA. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif. Ed Ke-6. Jakarta (ID):

Erlangga.

[ECHC] Environmental Canada, Health Canada. 2008. Screening assessment for

the challenge benzenesulfonic acid, 3,3'-[(9,10-dihydro-9,10-dioxo-1,4-

anthracenediyl)diimino]bis[2,4,6-trimethyl-,disodium salt (Acid Blue 80).

Kanada (CA): Canadian Environmental Protection Act.

Fouassier JP, Jacques L. 2015. Dyes and Chromophores in Polymer Science.

London (UK): John Will.

12

Gledhill SE, Scott B, Gregg BA. 2005. Organic and nano-structured composite

photovoltaics: an Overview. J Mat Res. 20(12): 3167-3179. ISSN 0884-

2914

Grätzel M. 2003. Dye-sensitized solar cells. J Photochem and Photobiol. 4: 145-

153. doi: 10.1016/S1389-5567(03)00026-1.

Hu C, White RM. 1983. Solar Cells: From Basics to Advanced Systems. New

York (US): McGraw-Hill.

Landmann M, Rauls E, Schmidt WG. 2012. The elecronic structure and optical

response of rutile, anatase, brookite TiO2. J Phys Cond Mat. 24: 1-6. doi:

10.1088/0953-8984/24/19/195503

Li L, Xu L, Wang Y. 2003. Novel proton conducting composite membranes for

direct methanol fuel cell. Mat Lett. 57:1406-1410.

Miettunen K, Janne H, Paula V, Tapio S, Minna T, Peter L. 2009. Dye solar cells

on ITO-PET substrate with TiO2 recombination blocking layers. J

Electrochem Soc. 156 (8):876-883. doi: 10.1149/1.3138129

Miley GH. 2013. Life at The Center of The Energy Crisis: A Technologist’s

Search for A Black Swan. New Jersey (US): World Scientific.

Mujiarto I. 2005. Sifat dan karakteristik material plastik dan bahan aditif. Traksi.

3(2):65-74.

Mulijani S, Dahlan K, Wulanawati A. 2014. Sulfonated polystyrene copolymer:

synthesis, characterization, and its application of membrane for direct

methanol fuel cell (DMFC). J Mat Mech Manufact. 2(1): 36-40.

O`Regan, Gratzel M. 1991. A Low Cost, High Efficiency Solar Cell Based on

Dye-Sensitized Colloid TiO2. Folms Nat. 353:737-739.

Pavia DL, Gary ML, George SK, James RV. 2015. Introduction to Spectroscopy.

Ed ke-5. Washington (US): Cengage Learning.

Phani G, Tulloch D, Vittorio, Skyrabin I. 2001. Titania solar cells: new

photovoltaic technology. J Renew Energy. 226(3):156-157. doi:

10.1016/S0960-1481(00)00059-8.

Prasetyo YH, Sayekti W, Risa S. 2014. Studi variasi elektrolit terhadap kinerja

dye sensitized solar cell (DSSC). J Fis Indones.53(18): 47-49.

Qibtiya MA, Muliani L, Suhandi A, Hidayat J. 2013. Karakteristik pasta TiO2

suhu rendah dan apikasi light scattering layer pada dye sensitized solar cell

(DSSC). J Fibusi. 1(3): 1-7.

Singh R, Bhattacharya B, Hee-Woo R, Pramod KS. New biodegradable polymer

electrolit for dye sensitized solar cell. J Electrochem Sci. 9: 2620-2630.

Solomons TWG, Fryhle CB. 2011. Organic Chemistry. Ed ke-10. London (UK):

John Will.

Sunardi, Sari K. 2014. Pengaruh waktu milling titanium dioksida doping dye

tectona grandis terhadap sifat listrik solar cell. Prosiding Seminar Nasional

Sains dan Pendidikan Sains IX; 21 Juni 2014; Salatiga, Indonesia. Salatiga

(ID): Jurusan MIPA, Fakultas Sains dan Teknik, UNSOED. 5(1): 322-325.

Yang Y, Chu Y, Yang F, Zhang Y. 2005. Uniform hollow conductive polymer

microspheres synthesized with the sulfonated polystyrene template. Mat

Chem Phys. 92 : 164–171. doi: 10.1016/j.matchemphys.2005.01.007

Yulika D, Kusumandari, Suryana R. 2014. Pelapisan TiO2 di atas FTO dengan

teknik slip casting dan spin coating untuk aplikasi DSSC. J Fis Indones. 53

(28): 66-70.

13

Zhang H, Banfield JF. 2000. Understanding polymorphic phase transformation

behavior during growth of nanocrystalline aggregates: insights from TiO2. J

Phys Chem. 104: 3481-3487.

LAMPIRAN

Lampiran 1 Diagram alir penelitian

Penentuan λ maksimum

AB 80 (UV-Vis)

Sulfonasi Polistirena (PS)

Polistirena Tersulfonasi

(PSS) Preparasi Pasta TiO2

Pencirian

(FTIR)

Preparasi Elektrode Kerja

TiO2 dilapiskan pada sisi konduktif ITO

Perendaman pada AB80

Elektrode lawan

(Pt)

Dirangkai kombinasi

potensiometer-multimeter

Dicelup pada elektrolit KI

0.5 M

Uji Kinerja DSSC

(Vm, Im, Voc, Isc, FF, η)

Kaca ITO terlapis TiO2

dilapisi PSS (TiO2/PSS)

15

Lampiran 2 Penentuan derajat sulfonasi

Sampel

Bobot Volume HCl (mL) Derajat

membran

(g) Blangko Sampel

sulfonasi

(%)

1 0.1133 10.00 9.55 30.49

2 0.1009 10.00 9.60 30.43

3 0.1037 10.00 9.55 33.31

Rerata 31.41

Keterangan: (-): tanpa sampel membran

Contoh perhitungan (sampel 1):

Diketahui:

Volume NaOH 1N = 10.00 mL

𝑉𝑎𝑤𝑎𝑙 = 𝑉𝐻𝐶𝑙 blangko = 10.00 mL

𝑉𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 = 𝑉𝐻𝐶𝑙 sampel = 9.55 mL

𝑁𝐻𝐶𝑙 = 0.9588 N

BESO3 = 80.06 g/ek

DS = ( 𝑉𝑎𝑤𝑎𝑙−𝑉𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟)𝑥 𝑁𝐻𝐶𝑙 𝑥 𝐵𝐸𝑆𝑂3

𝑏𝑜𝑏𝑜𝑡 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑒𝑙 x 100%

DS = ( 10 −9.55 ) x 10−3 L x 0.9588 N x 80.06 g/ek

0.1133 g x 100%

DS = 30.49%

Lampiran 3 Penentuan panjang gelombang maksimum AB80 dengan UV-Vis

λ (nm) Absorbans

625.6 0.249

581.6 0.205

693.2 0.008

600.4 0.195

Keterangan: ( ) λmaks

16

Lampiran 4 Spesifikasi AB80

17

Lampiran 5 Hasil pengukuran tegangan dan arus DSSC

DSSC V (mV) I (µA) V x I

TiO2

8.00 9.70 77.60

76.00 10.00 760.00

118.00 9.60 1132.80

188.00 8.60 1616.80

206.00 8.10 1668.60

218.00 7.60 1656.80

221.00 7.10 1569.10

226.00 5.70 1288.20

227.00 0.10 22.70

TiO2/PS

5.00 13.60 68.00

7.60 13.40 101.84

11.70 13.40 156.78

20.60 13.50 278.10

30.00 12.00 360.00

35.50 8.60 305.30

42.00 6.30 264.60

48.00 5.10 244.80

51.00 0.10 5.10

TiO2/PSS

8.00 19.70 157.60

59.00 19.60 1156.40

94.00 19.60 1842.40

124.00 19.70 2442.80

141.00 19.40 2735.40

172.00 19.40 3336.80

207.00 10.20 2111.40

217.00 7.80 1692.60

218.00 0.10 21.80

Keterangan : ( ) : Vm × Im

18

Lampiran 6 Hasil uji kinerja DSSC

Contoh perhitungan :

Polistirena tersulfonasi

FF = 𝐼𝑚 × 𝑉𝑚

𝐼𝑠𝑐 × 𝑉𝑜𝑐

= 8.1 µA × 206 mV

9.7 µA × 270 mV × 100 %

FF = 75.78 %

A = p × l

= 0.005 m × 0.005 m

A = 2.5 × 10-5

m2

η = 𝐼𝑠𝑐 × 𝑉𝑜𝑐 × 𝐹𝐹

𝐼𝐺 × 𝐴

= 9.7 × 10−6 A × 0.270 v × 75.78 %

118 W/m2 × 2.5 × 10−5 m2

η = 0.06 %

Parameter TiO2 TiO2/PS TiO2/PSS

Voc (mV) 227.00 48.00 217.00

Isc (µA) 9.70 13.60 19.70

Vm (mV) 206.00 30.00 172.00

Im (µA) 8.10 12.00 19.40

FF (%) 75.78 55.15 78.06

η (%) 0.06 0.01 0.11

RIWAYAT HIDUP

Penulis lahir di Bogor, 12 Oktober 1993 dari ayah Sudrajat dan ibu Erna

Mu’tamanah. Penulis adalah anak kedua dari empat bersaudara. Tahun 2012 penulis

lulus dari SMA Negeri Leuwiliang dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi

masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur ujian tulis nasional (SNMPTN

tulis 2012) dan diterima di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai anggota kepanitiaan,

seperti Seminar Nasional Kimia Aplikatif (Sensitif) pada tahun 2013 dan Chemistry

Challenge (CC) pada tahun 2013–2014. Selain itu, penulis pernah menjadi asisten

praktikum Kimia TPB pada tahun 2014–2016, Kimia Dasar 1 pada tahun 2015, Kimia

Dasar 2 pada tahun 2016, dan praktikum Kimia Fisik 2016. Penulis juga pernah

melakukan praktik lapangan di Australian Labolatory Service (ALS) Indonesia

dengan judul laporan Penentuan konsentrasi logam raksa dalam sampel darah.

Penulis melakukan penelitian dan menulis skripsi dengan judul Membran

Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi Dye-sensitized Solar Cell dengan

Pewarna Acid Blue 80 sebagai tugas akhir di Departemen Kimia IPB.