175-284-2-pb

Vol. 19 No.2 Oktober 2012 ISSN: 0854-8471

TeknikA 60

PERFORMANSI PROTOTYPE DYE-SENSITIZED SOLAR SOLAR CELL

(DYE SENSITIZER KULIT MANGGIS) DENGAN HUBUNGAN

VARIASI HAMBATAN TERHADAP EFISIENSI KONVERSI ENERGI

LISTRIK DAN PERBANDINGAN TERHADAP SEL SURYA

KONVENSIONAL

Webri Vandri, Iskandar R*.

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Andalas, Padang 25163

Telp: +62 751 72586, Fax: +62 751 72566

*E-mail: [email protected]

ABSTRAK

Dye-sensitized solar cell merupakan sel surya yang berbasis fotoelektrokimia dimana proses absorbsi cahaya

dilakukan oleh bahan organik molekul dye dan proses separasi muatan oleh bahan anorganik semikonduktor

TiO2. Dye-sensitized solar cell (DSSC), sebagai teknologi sel surya yang berkembang dan proses produksinya yang simpel, merupakan alternatif sel surya murah dimasa yang akan datang seiring mahalnya harga produksi

sel surya konvensional (sel surya silikon). Pada penelitian ini telah berhasil dilakukan pembuatan dan pengujian

prototipe dye-sensitized solar cell menggunakan dye bahan organik jenis anthocyanin dye dari ekstraksi kulit

buah manggis, dan semikonduktor bubuk TiO2 dengan pengujian memvariasikan hambatan untuk mengetahui

performansi prototipe sel surya DSSC. Dari pengujian sel surya yang disinari dengan cahaya matahari, sel

surya DSSC I dan DSSC II dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik dengan tegangan 435 mV

dan 129.6 mV, arus listrik sebesar 3.8 mA dan 1.12 mA, tegangan daya maksimum 253.8 mV dan 66.3 mV, arus

daya maksimum 0.038 mV dan 0,010 mV untuk area aktif seluas 2 cm2 dengan variasi hambatan yang berbeda

yaitu 0 k, 6.67 k, 10.58 k. Sedangkan sel surya silikon dapat mengkonversi energi surya menjadi listrik

dengan tegangan 470.7 mV dan arus listrik sebesar 4.54 mA, tegangan daya maksimum 386.8 mV. Arus daya

maksimum 0.058 mV.

Kata kunci: Dye-sensitized solar cell (DSSC),Titanium dioxide(TiO2), anthocyanin dye, Variasi hambatan.

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi adalah salah satu tantangan yang dihadapi

pada abad 21 ini. Dengan keadaan semakin

menipisnya sumber energi fosil tersebut, di dunia

sekarang ini terjadi pergeseran dari penggunaan

sumber energi tak terbaharui menuju sumber energi

yang terbaharui. Dari sekian banyak sumber energi

terbaharui seperti panas bumi, biogas dan angin,

penggunaan energi melalui solar cell merupakan

alternatif yang paling potensial. Sel surya bekerja

menggunakan energi matahari dengan mengkonversi secara langsung radiasi matahari

menjadi listrik. Sel surya yang banyak digunakan

sekarang ini adalah sel surya berbasis teknologi

silikon yang merupakan hasil dari perkembangan

pesat teknologi semikonduktor elektronik.

Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh

bahan silikon, namun mahalnya biaya produksi

silikon membuat biaya konsumsinya lebih mahal

daripada sumber energi fosil. Selain itu kekurangan

dari sel surya silikon adalah penggunaan bahan

kimia berbahaya pada proses pabrikasinya.

Tetapi seiring dengan perkembangan

nanoteknologi, dominasi tersebut bertahap mulai tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi

terbaru, yaitu dye-sensitized solar cell (DSSC).

DSSC merupakan salah satu kandidat potensial sel

surya generasi mendatang, hal ini dikarenakan tidak

memerlukan material dengan kemurnian tinggi

sehingga biaya proses produksinya yang relatif

rendah. Berbeda dengan sel surya konvensional

dimana semua proses melibatkan material silikon

itu sendiri. Pada DSSC, absorbsi cahaya dan

separasi muatan listrik terjadi pada proses yang

terpisah, absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul

dye dan separasi muatan oleh anorganik semikonduktor nanokristal yang mempunyai band

gap (celah energi) lebar.

Salah satu semikonduktor yang mempunyai band

gap lebar yang sering digunakan yaitu Titanium

Dioxide (TiO2). TiO2 umum digunakan karena inert


TeknikA 61

(tidak bereaksi dengan unsur lain), tidak berbahaya,

semikonduktor yang murah, selain memiliki

karakteristik optik yang baik. Namun untuk

aplikasinya dalam DSSC, TiO2 harus memiliki

permukaan yang luas sehingga dye yang terserap

lebih banyak yang hasilnya akan meningkatkan arus

foton.

Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan

prototype dye-sensitized solar cell dengan

menggunakan material-material yang mudah

didapat di Indonesia. DSSC sangat potensial untuk dikembangkan di Indonesia karena dalam proses

produksinya tidak memerlukan fasilitas clean room

yang selalu menjadi hambatan terbesar untuk

mengembangkan sel surya silikon di Indonesia,

selain itu produksinya relatif mudah. DSSC yang

telah dibuat akan diuji proses konversi energi

matahari menjadi energi listrik dengan

memvariasikan hambatan pada DSSC dan

dilakukan perbandingan efesiensi pada DSSC

dengan efesiensi sel surya konvesional.

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Dye-sensitized Solar Cell (DSSC)

2.1.1. Umum

Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), sejak pertama

kali ditemukan oleh Professor Michael Gratzel pada

tahun 1991, telah menjadi salah satu topik penelitian

yang dilakukan intensif oleh peneliti di seluruh

dunia. DSSC bahan disebut juga terobosan pertama

dalam teknologi sel surya sejak sel surya silikon[7].

Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC

adalah sel surya fotoelektrokimia sehingga

menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. Selain elektrolit, DSSC terbagi menjadi

beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO2,

molekul yang terabsorbsi di permukaan TiO2, dan

katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca

konduktif, seperti terlihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Struktur Dye-sensitized Solar Cell. [8]

Pada bagian atas dan alas sel surya merupakan glass

yang sudah dilapisi oleh TCO (Transparent

Conducting Oxide) biasanya TCO, yang berfungsi

sebagai elektroda dan counter-elektroda. Pada TCO

counter-elektroda dilapisi katalis untuk

mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit.

Pasangan redoks yang umumnya dipakai yaitu I- /I3-

(iodide/triiodide). Pada permukaan elektroda dilapisi oleh nanopori TiO2 yang mana dye terabsorbsi di

pori TiO2, yang umumnya digunakan yaitu jenis

ruthenium complex.

Material DSSC

Substrat

Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis

TCO (Transparent Conductive Oxide) yang

merupakan kaca transparan konduktif. Material

substrat itu sendiri berfungsi sebagai badan dari sel

surya dan lapisan konduktifnya berfungsi sebagai

tempat muatan mengalir. Material yang umumnya

digunakan yaitu flourine-doped tin oxide (SnO2:F atau FTO) dan indium tin oxide (In2O3:Sn atau ITO)

hal ini dikarenakan dalam proses pelapisan material

TiO2 kepada substrat, diperlukan proses sintering

pada temperatur 400-500oC dan kedua material

tersebut merupakan pilihan yang cocok karena tidak

mengalami defect pada range temperatur tersebut.

Nanopori TiO2

Penggunaan oksida semikonduktor dalam

fotoelektrokimia dikarenakan kestabilannya

menghadapi fotokorosi[9]. Selain itu lebar pita energinya yang besar (> 3eV), dibutuhkan dalam

DSSC untuk transparansi semikonduktor pada

sebagian besar spektrum cahaya matahari. Selain

semikonduktor TiO2, yang digunakan dalam

penelitian ini, semikonduktor lain yang digunakan

yaitu ZnO, CdSe, CdS, WO3 , Fe2O3, SnO2, Nb2O5,

dan Ta2O5. Namun TiO2 masih menjadi material

yang sering digunakan karena efisiensi DSSC

menggunakan TiO2 masih belum tertandingi.

Dye

Seperti yang telah dijelaskan, fungsi absorbsi cahaya

dilakukan oleh molekul dye yang terabsorbsi pada permukaan TiO2. Dye yang umumnya digunakan


TeknikA 62

dan mencapai efisiensi paling tinggi yaitu jenis

ruthenium complex.

Walaupun DSSC menggunakan ruthenium complex

telah mencapai efisiensi yang cukup tinggi, namun

dye jenis ini cukup sulit untuk disintesis dan

ruthenium complex komersil berharga mahal.

Alternatif lain yaitu penggunaan dye dari buah-

buahan, khususnya dye antosianin.

Kandungan antosianin pada beberapa jenis sayuran

dan buah-buahan dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Kandungan antosianin pada beberapa jenis sayuran dan buah- buahan.[17]

BUAH KONSENTRASI ANTOSIANIN

(mg/g)

Chokeberry

Buah murbei

Blueberries

Kulit buah manggis

Kismis hitam

Blackberries

Anggur

Lobak merah

Kubis merah Stroberi

Bawang merah

Kacang hitam

2147

1993

705

580

533

353

192

116

113 69

39

23

(Sumber: www.whfood.org)

Elektrolit

Elektrolit yang digunakan pada DSSC terdiri

dari iodine (I-) dan triiodide (I3-) sebagai pasangan

redoks dalam pelarut.

Katalis Counter Elektroda

Katalis dibutuhkan untuk mempercepat

kinetika reaksi proses reduksi triiodide pada TCO.

Platina, material yang umum digunakan sebagai

katalis pada berbagai aplikasi, juga sangat efisien

dalam aplikasinya pada DSSC. Platina

dideposisikan pada TCO dengan berbagai metoda

yaitu elektrokimia, sputtering, spin coating, atau

pyrolysis.

III. METODOLOGI

Pembuatan Bubuk Nanopori TiO2

Nanopori TiO2 disintesis dengan

menggunakan metoda sol-gel dengan bantuan

block copolymer sebagai template untuk

membentuk struktur nanopori.

Pembuatan Pasta TiO2 TiO2 akan dideposisikan dengan teknik

lapisan tebal sehingga sebelumnya dibuat

TiO2 dalam bentuk pasta.

Preparasi Larutan Dye Gerus Kulit buah Manggis dengan mortar

kemudian tambahkan methanol:asam asetat:air

(25:4:21 perbandingan volume) sebanyak 10

ml, gerus lagi. Larutan kemudian di filter

dengan menggunakan kertas kasa.

Preparasi Elektrolit Larutan elektrolit iodide/triiodide dibuat

dengan cara mencampurkan 0,8 gram (0,5 M)

potassium iodide (KI) kedalam 10 ml

acetonitrile kemudian diaduk, kemudian

ditambahkan 0,127 gram (0,05 M) Iodine (I2)

kedalam larutan tersebut kemudian diaduk dan

simpan larutan dalam botol tertutup.

Preparasi Counter elektroda-karbon Sebagai sumber karbon digunakan graphite

dari pensil. Graphite dilapiskan ke TCO pada

bagian konduktifnya kemudian dipanaskan

pada temperatur 4500 C selama 10 menit agar

grafit membentuk kontak yang baik sesama partikel karbon dan dengan TCO.

Assembly DSSC Setelah masing-masing komponen DSSC

berhasil dibuat kemudian dilakukan assembly

untuk membentuk sel surya dengan langkah-

langkah sebagai berikut:

1. Pada TCO yang telah dipotong menjadi ukuran 3 x 3 cm dibentuk area tempat

TiO2 dideposisikan dengan bantuan

Scotch tape pada bagian kaca yang

konduktif sehingga terbentuk area
http://www.whfood.org/


TeknikA 63

sebesar 2 x 1cm dengan ilustrasi seperti pada Gambar 2.

3 cm

1 cm

2 cm 3 cm

Gambar 2. Ilustrasi Skema Area Deposisi Pasta TiO2

2. Pasta TiO2 dideposisikan diatas area yang telah dibuat pada kaca konduktif

dengan metoda doctor blade yaitu

dengan bantuan batang pengaduk untuk

meratakan pasta. Kemudian lapisan

dikeringkan selama kurang lebih 15 menit dan dibakar/ sintering dalam

tungku listrik pada temperatur 4500 C

selama 30 menit.

3. Lapisan TiO2 kemudian direndam dalam larutan dye selama kurang lebih 30 menit

kemudian lapisan TiO2 akan menjadi

berwarna ungu. Counter-elektroda

karbon kemudian diletakkan diatas

lapisan TiO2 dengan struktur sandwich

dimana di masing-masing ujung diberi

offset sebesar 0,2 cm, untuk kontak elektrik. Kemudian agar struktur selnya

mantap dijepit dengan klip pada kedua

sisi.

4. Larutan elektrolit kemudian diteteskan kira-kira sebanyak 2 tetes kepada ruang

antara kedua elektroda. Dan sel surya

siap untuk diuji.

Pengujian Sel Surya DSSC

Pada sel surya yang telah dirangkai dilakukan

dua jenis pengujian yaitu:

Pengujian langsung tegangan dan arus yang terukur dari sel surya dengan

menggunakan multimeter. Sumber cahaya

yang digunakan yaitu cahaya matahari

langsung untuk pengujian diluar ruangan

dan cahaya OHP untuk pengujian dalam

ruangan.

Pengujian arus dan tegangan dengan menggunakan potentiometer sebagai

hambatan yang divariasikan dan dilihat

perubahannya. Skema rangkaian listriknya

ditunjukkan pada Gambar 3. Pengujian dilakukan di laboratorium Energi

Terbarukan dan Surya,Jurusan Teknik

Mesin, Universitas Andalas.

Gambar 3. Skema Rangkaian Listrik Pengujian Sel surya DSSC

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Absorbsi larutan dye kulit buah manggis

Profil absorbsi cahaya dari pigmen antocyanin kulit

buah manggis (kulit manggis I) seberat 104.48

gram dianalisis menggunakan UV-Vis

Spektrometer. Dan dilihat pada Gambar 4 terdapat

puncak pada panjang gelombang 454.4 nm

menandakan bahwa pigmen antocyanin yang ada

pada kulit buah manggis dapat mengabsorbsi


TeknikA 64

cahaya dengan panjang gelombang 454.18 nm yang masih dalam spektrum cahaya tampak.

Gambar 4. Profil absorbsi cahaya dari pigmen antocyanin kulit buah manggis I

Perbandingan pertama,pada Gambar 4 merupakan profil absorbsi cahaya dari pigmen antocyanin kulit

buah manggis II dengan berat kulit manggis 50.55

gram. Dari grafik tersebut tidak terlihat puncak

absorbsi yang lebar, seperti larutan dye kulit

manggis seberat 104.48 gram. Panjang gelombang

yang diterima hanya sebesar 339.72 nm. Hal ini

menunjukan banyak kulit manggis yang digunakan sangat berpengaruh terhadap kualitas dan

performansi larutan dye. Sehingga performansi dye

kulit manggis yang baik terdapat pada larutan dye

kulit manggis 1 seberat 104.48 gram.

Gambar 5. Profil absorbsi cahaya dari pigmen antocyanin kulit buah manggis II

Perbandingan kedua,pada Gambar 6 merupakan

profil absorbsi cahaya dari dye ruthenium complex

jenis N719 (C58H86O8N8S2Ru) yang diambil dari

penelitian Jian Zhan, dkk[16]. Dari grafik tersebut

terlihat bahwa terdapat dua puncak absorbsi pada

panjang gelombang 550 nm dan 400 nm. Ini

menunjukkan bahwa dye jenis ruthenium complex

dapat menyerap spektrum cahaya lebih lebar

sehingga dalam hal performansinya lebih baik dari


TeknikA 65

dye kulit buah manggis 1. Performansi larutan dye sangat mempengaruhi performansi sel surya dssc.

Gambar 6. Profil absorbsi cahaya dari pigmen antocyanin Ruthenium Dye N719

4.2 Pengujian arus dan tegangan dengan menggunakan

potensiometer sebagai hambatan

yang divariasikan.

Pengujian arus dan tegangan sel surya

menggunakan potensiometer dengan nilai resistansi

yang dirubah-rubah. Pengujian sel surya dssc

dengan menggunakan potensiometer dapat dilihat

pada Gambar 7. Hasil pengujian sel surya dengan

menggunakan potentiometer dapat dilihat pada

Tabel 2.

Gambar 7. Pengujian Sel surya dssc I dan dssc II dengan menggunakan potensiometer sebagai hambatan.

Tabel 2. Hasil pengujian dengan memvariasikan hambatan menggunakan potentiometer.

No Jenis Sel Surya

Variasi

Hambatan

(k)

Tegangan

maksimum

(Voc)

(mV)

Arus

maksimum

(Isc)

(mA)

Tegangan

daya

maksimum

(Vmmp)

(mV)

Arus daya

maksimum

(Immp)

(mA)

1

DSSC I

0

6.67 10.58

435

435 435

3.80

3.80 3.80

435

253.8 38.2

0

0.038 0.0036


TeknikA 66

2

DSSC II

0

6.67

10.58

129.6

129.6

129.6

1.12

1.12

1.12

129.6

66.3

0

0

0.010

0

3

Sel surya

Silikon

0

6.67

10.58

470.7

470.7

470.7

4.54

4.54

4.54

470.7

386.8

67.78

0

0.058

0.0064

Dari hasil pengujian di atas dapat ditentukan

efisiensi ketiga sel surya,dengan menggunakan

hambatan 6.67 k. Karena pada hambatan 6.67 sel

surya stabil dan dapat ditentukan

efisiensinya,sedangkan pada hambatan 0 k dan

10.58 k sel surya kurang stabil karena pengaruh

luas sel surya yang hanya berbentuk prototipe.

Perbandingan efisiensi ketiga sel surya dapat dilihat

pada Tabel 3.

Tabel 3. Perbandingan efisiensi sel surya pada pengujian.

No Jenis Sel

Surya

Tegangan

maksimu

m (Voc)

(mV)

Arus

maksimu

m (Isc)

(mA)

Tegangan

daya

maksimu

m (Vmmp)

(mV)

Arus daya

maksimu

m (Immp)

(mA)

Fill

Factor

(%)

Efisiensi

() (%)

1

2

3

DSSC I

DSSC II

Sel surya

Silikon

435.0

129.6

470.7

3.80

1.12

4.54

253.8

66.3

386.8

0.038

0.010

0.058

0.542 %

0.460 %

1.050 %

0.896 %

0.067 %

2.243 %

Perbandingan efisiensi sel surya dssc I, sel surya dssc II dan sel surya silikon konvensional dapat dilihat pada

Gambar 8.

Gambar 8. Kurva perbandingan efisiensi ketiga sel surya.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

DSSC IDSSC II

Sc Silicon

(

efis

ien

si)

%

Efisiensi


TeknikA 67

Dari kurva diatas dapat dilihat, efisiensi sel surya

silikon konvensional lebih tinggi dari pada sel surya

dssc. Tetapi pada sel surya dssc I selisih efisiensi

nya tidak terlalu jauh dengan efisiensi sel surya

silikon konvensional. Rendahnya efisiensi sel surya

dssc disebabkan karena stabilitas sel surya dssc

yang kurang baik sehingga hasil yang didapatkan

kurang optimal untuk mendapatkan nilai efisiensi

sel surya yang dapat menyamai atau melebihi

efisiensi sel surya silikon konvensional. Hal ini

diakibatkan enkapsulasi sel surya yang masih

belum optimal sehingga larutan elektrolit cepat

sekali menguap oleh panas dari sumber cahaya.

Oleh karena itu diharapkan untuk penelitian yang

selanjutnya dapat difokuskan pada optimalisasi

enkapsulasi sel surya untuk menjaga stabilitas

performansi sel surya dssc.

V. KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan dapat

disimpulkan,antara lain:

1. DSSC yang dibuat berhasil mengkonversi energi surya menjadi energi listrik dengan

pengujian memvariasikan hambatan.

2. Efisiensi sel surya DSSC I sebesar 0.896 %, sel surya DSSC II sebesar 0.067 % dan sel surya

silikon konvensional sebesar 2.243 %.

3. Karakteristik-karakteristik yang menentukan performansi sel surya diantaranya struktur

TiO2,jenis dye (karakteristik absorbsi cahaya).

DAFTAR PUSTAKA

[1] Greg P. Smestad, 2002, Optoelectronics of Solar Cells, SPIE PRESS.

[2] Green,M.A.2001, Solar Cell Efficiency Tables (Version 18), Prog.Photovolt.

Res. Appl., 9, 287-93

[3] Shah, A., et al., 1999, Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film

Solar Cells, Science, 30 July, 285, 692-

8.

[4] J. Halme, 2002, Dye sensitized Nanostructured and Organic

Photovoltaic Cells : technical review and

preeliminary test, Master Thesis of

Helsinki University of Technology.

[5] Annual World Solar Photovoltaic Industry Report, Marketbuzz 2007

report.

[6] Global Market:Current & Next Generation Solar Cell & Related

Material Market Outlooks, Research and

Markets reports.

[7] G. Phani, G. Tulloch, D. Vittorio, dan I. Skyrabin, 2001, Titania solar cells: new photovoltaic

technology,Renewable Energy.

[8] R. Sastrawan, 2006, Photovoltaic modules of dye solar cells, Disertasi

University of Freiburg.

[9] Kalyanasundaram, K., Grtzel, M., 1998, Applications of functionalized transition metal complexes in photonic

and optoelectronic devices,

Coordination Chemistry Reviews, 177,

347-414.

[10] H. Zhang, J.F. Banfield, 2000, Understanding Polymorphic Phase

Transformation Behavior during Growth

of Nanocrystalline Aggregates: Insights

from TiO2. J Phys Chem B, vol. 104, pp.

3481

[11] Http://www.ise.fhg.de/areas-of-business-and-market-areas/solar-cells/dye- and-

organic-solar-cells/manufacturing-of-

dye-solar-cells/manufacturing-of-dye-

solar-cells.

[12] Kay, A., Grtzel, M., 1996, Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium

dioxide and carbon powder, Solar

Energy Materials & Solar Cells, 44, 99-

117.

[13] Wolfbauer, G., et al., 2001, A channel flow cell system specifically designed to

test the efficiency of redox shuttles in dye

sensitized solar cells,Solar Energy

Materials & Solar Cells, 70, 85-101.

[14] Nerine J. Cherepy, Greg P. Smestad, Michael Gra1tzel, and Jin Z. Zhang,1997, Ultrafast Electron

Injection: Implications for a

Photoelectrochemical Cell Utilizing an

Anthocyanin Dye-Sensitized TiO2

Nanocrystalline Electrode J. Phys.

Chem. B, 10,9342-9351.

[15] Qing Dai and Joseph Rabani, 2001, Photosensitization of nanocrystalline

TiO2 films by pomegranatepigments with

unusually high efficiency in aqueous

medium,Chem. Commun., 21422143.

[16] Jian Zhan, Peng Sun, Shan Jiang, Xiaohang Sun, An investigation of the

performance of dye-sensitized

nanocrystalline solar cell with

anthocyanin dye and ruthenium dye as
http://www.ise.fhg.de/areas-of-business-and-market-areas/solar-cells/dye-http://www.ise.fhg.de/areas-of-business-and-market-areas/solar-cells/dye-


TeknikA 68

the sensitizers, 2006, Roskilde

University Project.

[17] Http://cybermed.cbn.net.id/cbprtl/cybermed/detail.aspx?x=Nutrition&y.

175-284-2-pb

Documents