tio 2 nanostruktur sebagai fotoanoda sel surya tersensitisasi zat warna alam (natural dye-sensitized...

TiO2 Nanostruktur sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitisasi Zat Warna

Alam (Natural Dye-Sensitized Solar Cell,

nDSSC )

Dr. Indriana Kartini

Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada18 Mei 2013 2013 [email protected]

Teknologi sel surya dewasa ini

1. Generasi I: berbasis silikon (c-Si, a-Si, poli-Si)

3. Generasi III: dye-sensitised solar cell (DSSC, sel surya fotoelektrokimia)

2. Generasi II: lapis tipis material semikonduktor (GaAs, CdTe, CuInSe2 )

4. Generasi IV: quantum-dot (PbS, PbSe, CdS, CdSe)


Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6, 91-109

Perbandingan teknologi fotovoltaik (PV)

Bulk cystalline Si remains dominant

Different technology comparison in efficiency & cost

World PV module production in 2003

main technologies available: single & multi- crystalline Si, a-Si, CuInSe2, CdTe

M. Grätzel, “Photoelectrochemical cells,” Nature, 414, 338 (2001)

Sel Surya Tipe DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) sangat prospektif untuk dikembangkan sebagai model sel surya masa depan

Keunggulan DSSC

• Mudah diproduksi • Unjuk kerja energi listrik

lebih tinggi• Mempunyai konfigurasi dua

muka – menguntungkan saat cahaya terhamburkan

• Warna sel dapat divariasi (tergantung warna sensitiser)

• Dapat digunakan untuk power window (kaca transparan)

Aisi, Seiki, Toyota R&D

Building integrated

Silicon Façade System at the University of Melbourne, Australia

Series connected 64 DSC cells

DSC Façade System at the CSIRO Energy Centre Newcastle, Australia

Di Indonesia ?

Dye-Sensitized Solar Cells

Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6, 91-109

Published in: Hiroshi Imahori and Tomokazu Umeyama; J. Phys. Chem. C 2009, 113 (21). DOI: 10.1021/jp9007448, Copyright © 2009 American Chemical Society

pola radiasi matahari

Spectra matching REM dengan radiasi matahari

Workshop Advanced Material 114-15 Oktober 2009 2009 [email protected]

From Nature to learn

Photosynthesis (Energy Production

from Nature)

Artificial Photosynthesis

(Energy from Nature)

Artificial Photosynthesis

• Metode konversi energi surya yang menerapkan aspek-aspek strategi atau desain alam atau bahan alam atau semua aspek tersebut

Strategi Bahan Alam

Fotoinduksi transfer elektron via membran

• Zat warna klorofil

• Mediator transfer elektron

Bagaimana ?

Image found at http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell

Basic DSSC Layers:

1. Kaca konduktif (Glass coated with fluorine-doped tin oxide, FTO/ITO)

2. Titanium dioxide layer (n-type semiconductor)

3. Ruthenium dye4. Electrolyte solution5. Kaca konduktif

berlapis platinum

DSSC: prinsip kerja

hn

e--

1

2

7

8

3

5

1-2-3-4-5-6 desired pathway

Semiconductor oxide

Dye Redox couples Counter electrode

e- e-External load

4

D*

D/D+

I-/I-3

9

VB

CBEF

ERedox

e-

E vs vacuum(eV)

-7.0

-5.6

-5.0

-3.8

TCOPt/TCO

6

7 8 9 recombination pathways

TiO2: anatase Eg = 3.2 eV; rutile Eg = 3.05 eV

Image from Ind riana Kartini PhD thesis, 2004

dynamic competition

electron transpor

loss

mec

han

ism

who is the winner ?


• Komponen– Material Transfer Elektron

• bahan semikonduktor tipe-n• TiO2 nanopartikulat

• Komponen– Material Transfer

Hole• bahan

semikonduktor tipe-p

• elektrolit redoks (I3

- /I-)

• polimer konduktif

– Zat warna• kompleks

ruthenium (bipy)3• porfirin• antosianin

Dye-sensitized solar cells (DSSCs)

dye molecules

fotoanoda

fotokatoda

Kurva I-V Parameter Sel Surya:

1. Open-circuit Voltage, VOC

2. Short-circuit current, ISC

3. Fill factor, FF

FF = (Imax Vmax)/(ISC VOC)

h = (ISC VOC FF)/Pinput

DSSC: Evaluasi Unjuk kerja

Benchmark: Efisiensi global 10%, semikonduktor= titania koloid, sensitiser = Ru”black-dye”, FF=0.704, VOC=0.72V, ISC=20.53 mA/cm2, Pmax=1.94 mW, luas bagian aktif= 0.1863 cm2 (J. Am. Chem.Soc. 2001, 123, 1613)


Grätzel Cell• Output optimum

– Short circuit current, ISC ~ 20 mA/cm2

– Open circuit voltage, VOC ~ 0,7 V

– Quantum yield ~ 1– Efisiensi konversi ~ 11%

dye: kompleks Ruthenium

!!! Komponen zat warna : logam toksik

Natural DSSCs

• Output optimum– Short circuit current,

JSC ~ 1,83 mA/cm2

– Open circuit voltage, VOC ~ 0,65 V

– Efisiensi konversi ~ 0,68%

HOMO

LUMO

phorphyrin


1. Rekayasa fotoanoda berstruktur nano

2. Rekayasa natural dyes co-sensitisasi, surface

Sensitiser

Syarat :• be panchromatic, i.e. absorb visible light of all

colors, high extinction coefficient.• be firmly grafted to the semiconductor oxide

surface and inject electrons into the conduction band with a quantum yield of unity.

• possess suitable ground- and excited state redox properties (0.5 and -0.8 V vs.SCE)

• exhibit thermal and photochemical stability• environmentally friendly


Natural dyes : zat warna batik


VOC ~95 mVISC ~0,4 A

Natural dyes : klorofil alga


-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

-10 5 20 35 50 65

V (mV)

I (μ

A)

light SmSetchelldark

light He Bory0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700 800

wavelength (nm)

ab

so

rba

nc

e

methanol extract

on titania f ilm

Sargassum mclurei Setchell

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700 800

wavelength (nm)

ab

so

rba

nc

e

methanol extract

on titania f ilm

Hypnea espery Bory

VOC ~60 mVISC ~0,14 A

TiO2 solar cell (with anthocyanin dye extracted from hard

pericarp of mangosteen fruit)

Generating Current = 0,025 µA

Generating Voltage = 100 mV

Kartini et al., Asian J. Chem., 22(6), 2010,

4501-4510

FotoanodaSyarat:

1. Berpori dan Luas permukaan besar adsorpsi monolayer zat warna efisien

2. Tersusun atas fasa kristalin fotoaktif, efisien band gap

3. Partikel berdimensi dan berstruktur nano efisien transpor elektron



nanoparticles nanowires nanotubes hybrid aggregates

efisiensi ~ 10-11%


Thermally synthesized titania

VOC ~22 mVISC ~1,1 ADye tegeran

Widiyanti A., Triyana, K., Kartini, I, 2007

SBET ~161 m2/gD101(A) ~5,3 nmLow crystallinity

Mesoporous titania


0

0.03

0.06

0.09

0.12

0.15

0.18

0 100 200 300 400 500bias (mV)

J (m

Acm

-2)

acid route-acid treated

P25-acid treateda

b

b

a

a

Kartini et al., J. Mater. Chem., 2004, 14, 2917

VOC ~450 mVISC ~ 0,1 mADye Ru-N3


Bias (mV)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

J(m

Acm

2 )

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

neutral route untreatedacidic route acid treated

B

Mesoporous titania

Indriana Kartini , a PhD Thesis, The University of Queensland, Brisbane, 2004

VOC ~700 mVISC ~ 12 mADye Ru-N3

Route to TiO2 nanotubes

Lapis tipis ZnO nanorod

Metode : hidrotermal pada 110 oC, t = 20 menitPrekursor : seng nitrat dan NaOH

Substrat kaca terlapis seed layer ZnO

Lapis tipis TiO2 nanotube

Karakterisasi : XRD, SEM , TEM dan Spektrofotometer UV-Vis

Karakterisasi : XRD, SEM ,TEM dan Spektrofotometer UV-Vis

Teknik deposisi fasa cairPrekursor : TiO2 P25

Teknik sol-gelPrekursor : TTIP

Variasi frekuensi pencelupan

Lapis tipis TiO2 nanotube tersensitisasi zat warna

Karakterisasi : Spektrofotometer UV- Vis dan I-V sel surya

Preparasi cetakan ZnO nanorod

Deposisi TiO2

Konstruksi sel surya

Zat warna ekstrak kulit manggis

DSSC

Elektrolit Elektroda lawan

Substrat kaca

Pemanasan

130 oC, 2 jam180 oC, 1 jam260 oC, 2 jam

Proses hidroterm

al

110 oC 20

menit

Kaca terlapis seed layer ZnO

Deposisi seed layer

0,01 M Zn(CH3COO)2.2H2

Odalam etanol

Kaca terlapis seed layer ZnO

Lapis Tipis ZnO nanorod berorientasi

vertikal

Tahap I: Preparasi ZnO seed layer

Tahap II: Preparasi ZnO nanorod

Sintesis lapis tipis ZnO nanorod

Pencucian

0,03 M Zn (NO3)2. 4H2O ) + 0,8 NaOH dalam akuabides

Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik deposisi fasa cair

0,38 M TiO2 P25dalam HF 5 %

T kamar2 jam

Lapis Tipis ZnO-TiO2Lapis Tipis

ZnO nanorod

Lapis Tipis ZnO - TiO2

H3BO3 0,5 M

1 jam

Lapis Tipis TiO2 nanotube

Pendeposisian

Pelarutankalsinasi

550 oC 1 jam

Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik sol-gel

Tahap I: Preparasi TiO2 sol

Lapis Tipis ZnO -TiO2

Pelarutan

HCl 3 % (v/v)5 detik

Lapis Tipis TiO2 nanotube

kalsinasi

550 oC 1 jam

Lapis Tipis ZnO nanorod

Pendeposisian

TiO2 sol

dip coating

Pemanasan

100 oC10 menit

Variasi frekuensi pencelupan

Lapis Tipis ZnO -TiO2

Tahap II: Preparasi TiO2 nanotube


-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

TiO2-NTPoly-nomial (TiO2-NT)

V (mV)

I

(µA

)

Titania nanoparticle-nanotube

Evana & Kartini, a master Thesis, 2013

100 nm

VOC ~450 mVISC ~ 0,125 mADye antosianin manggis

• Sistem nDSSC densitas listrik rendah – sedang

• Unjuk kerja nDSSC dapat ditingkatkan dengan :– Optimasi komposisi zat warna alam– Optimasi struktur nano semikonduktor

fotoanoda


Kesimpulan

Terima kasih atas hibah riset: Kementerian Riset dan Teknologi Indonesia 2005 (RUT XII)IFS (International Foundation for Science, Sweden) 2006-2012, UGM Award 2006, ITSF (Indonesia Toray Science Foundation) 2009DP2M Dikti (Hibah Bersaing 2007-2008, Hibah Kompetensi 2008-2009)

Terima kasih yang tak terhingga juga untuk segenap mahasiswa yang berdedikasi: studi S1 (Septina, Ma’ruf, Anis, Ismu, Erma, Zul, Sri, Evana, Nadia, Isti, Cahyani, Intan, Fathah, Anton, Susilo, Canggih, Wuri, Fenny, Faizatun), studi S2 (Annissa, Tri Sejati, Ari, Wuri, Evana, Irfan) dan studi S3 (Sayekti, Cahyorini) serta counterpart (Dr. Ir. Akhmad Herman Yuwono (UI); Dr. Kuwat Triyana, Dra Chotimah, MSi. (Fisika UGM); Dr. Tutik D. Wahyuningsih, Dr.Tri J Raharjo, Dr. Yateman Arryanto, Dr. Respati TS (Kimia UGM) yang telah mendukung pelaksanaan penelitian DSSC sejak 2005 sampai sekarang.


tio 2 nanostruktur sebagai fotoanoda sel surya tersensitisasi zat warna alam (natural dye-sensitized...

Documents