Arifin, Zainal (2017) Rekayasa Lapisan Photoanode Untuk Meningkatkan Efisiensi Dye-Sensitized Solar Cells (Dssc). Doctor thesis, Universitas Brawijaya.
Abstract
Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi sel surya tipe dye-sensitized solar cells (DSSC) melalui rekayasa lapisan photoanode. Lapisan photoanode dibuat satu lapis dan dua lapis dari kombinasi nanopartikel dan nanofiber titanium oksida (TiO2). Metode deposisi lapisan photoanode pada kaca transparan fluorine-doped tin oxide (FTO) dilakukan dengan metode doctor blade dengan ketebalan yang sama, yaitu 20 μm. Nanofiber TiO2 disintesis dengan metode elektrospinning dari larutan titanium (IV) isopropoxide (TTIP) pada tegangan 15 kV, jarak elektroda 29,5 cm, dengan debit aliran core 6 μL/menit dan aliran sheath 10 μL/menit. Lapisan photoanode kemudian dicelupkan ke dalam pewarna sintetis, N719, dan pewarna alam, dari ekstrak daun pepaya. Berbagai sifat dari pewarna dan photoanode diuji dengan menggunakan ultra violet-visible (UV-Vis) spectrophotometry, Fourier transform infra-red (FTIR), cyclic voltameter (CV), Brunauer–Emmett–Teller (BET), scanning electron microscopy (SEM), dan X-ray diffraction (XRD). Selanjutnya lapisan photoanode yang sudah direndam pewarna dirakit bersama elektroda konter dan elektrolit menjadi DSSC. DSSC yang sudah selesai dirakit kemudian diuji performansinya dengan penyinaran 100 mW/cm² sehingga dapat dihitung arus, tegangan, fill factor, dan efisiensi pada sel surya. Tahapan dan hasil dari penelitian ini utamanya dapat dibagi tiga. Tahapan pertama pertama dari penelitian adalah rekayasa photoanode DSSC dengan menggunakan semikonduktor TiO2 nanofiber yang disintesis dari TTIP dan polyvinyl pyrrolidone (PVP) yang diproses dengan menggunakan mesin elektrospinning. Pada proses pembuatan semikonduktor TiO2 nanofiber dilakukan penambahan unsur/doping zinc nitrate tetrahydrate (Zn(NO3)2.4H2O) sebesar 0%, 0,1%, 0,4%, 0,7%, dan 1% terhadap prosentase rasio berat TiO2. Hasil penelitian tahap pertama menunjukkan bahwa doping Zn pada prosentase tertentu menyebabkan terjadinya penurunan ukuran kristal, peningkatan ukuran diameter nanofiber, perubahan komposisi fase anatase dan peningkatan porositas nanofiber. Namun doping Zn tidak mengubah tingkat energi band gap TiO2 nanofiber. Doping Zn sebesar 0,4% terhadap rasio berat TiO2, menghasilkan ukuran kristal terkecil, komposisi fase anatase terbanyak, porositas terbesar dan efisiensi tertinggi pada aplikasi photoanode dengan menggunakan pewarna sintetis N719 yaitu sebesar 0,89% Tahapan penelitian kedua adalah rekayasa lapisan photoanode DSSC dari semikonduktor TiO2 nanopartikel yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh perubahan konsentrasi dari pewarna alam dan dari ekstrak daun pepaya. Perubahan konsentrasi dilakukan pada 60 mM, 70 mM, 80 mM, 90 mM dan 100 mM. Hasil pengujian tahap kedua menunjukkan perubahan konsentrasi berpengaruh besar terhadap tingkat absorbansi namun tidak banyak berpengaruh terhadap besarnya level energi HOMO LUMO dan gugus fungsi dari pewarna alam ekstrak daun pepaya. Lapisan photoanode DSSC yang dicelupkan ke dalam pewarna alam pada konsentrasi 90 mM menghasilkan performa DSSC terbaik yaitu 0,094% dibanding dengan konsentrasi yang lainnya. Hal ini akibat tingginya kemampuan dye loading lapisan photoanode dan juga dimungkinkan x karena adanya kesesuaian jumlah molekul pewarna yang dapat diserap secara optimum oleh lapisan photonade berupa semikonduktor TiO2 nanopartikel. Tahapan penelitian ketiga dari penelitian ini adalah rekayasa photoanode DSSC dengan konsep dua lapis (double layer). DSSC dengan lapisan photoanode double layer dibentuk dengan menggunakan dua jenis lapisan semikonduktor yaitu lapisan semikonduktor TiO2 nanopartikel (NP) dan lapisan nanofiber (NF) TiO2 yang didoping Zn. Lapisan photoanode yang terdiri dari dua lapis semikonduktor TiO2 dengan beda morfologi dan ukuran tersebut mempunyai dua sifat dominan yang berlawanan. Photoanode dengan komposisi semikonduktor TiO2 nanopartikel yang lebih tebal akan meningkatkan absorbansi pewarna yang besar pada lapisan photoanode, namun tingkat transmitansi atau sinar yang diteruskan juga tinggi. Sementara itu, lapisan photoanode yang direkayasa dari TiO2 nanofiber dapat menurunkan tingkat transmitansi dari photoanode namun tingkat absorbansinya juga mengalami penurunan. Sehingga pada penelitian tahap ketiga ini berusaha membuat lapisan photoanode dua lapis dengan memanfaatkan dua jenis semikonduktor yang bersifat saling berlawanan dengan cara memvariasikan ketebalan double layer photoanode dari kedua lapisan semikonduktor TiO2. Hasil penelitian tahap ketiga menunjukkan bahwa DSSC dengan konsep lapisan double photoanode menghasilkan efisiensi yang meningkat cukup tinggi jika dibandingkan dengan DSSC berkonsep satu lapis photoanode, baik dengan menggunakan pewarna sintetis maupun pewarna alam. Dari penelitian ini dapat disimpulkan secara komprehensif bahwa rekayasa DSSC dari sisi lapisan photoanode dengan menggunakan konsep double layer telah berhasil dilakukan dan menghasilkan peningkatan efisisiensi DSSC secara signifikan. Kenaikan efisiensi DSSC akibat rekayasa lapisan photoanode dengan konsep double layer ini lebih banyak disebabkan oleh meningkatnya arus listrik (Jsc) dari DSSC yang mengindikasikan banyak foton yang mampu terkonversi menjadi aliran muatan elektron dan mengalir menjadi arus listrik. Penyebabnya adalah rekayasa lapisan photoanode dengan konsep double layer dapat berperan ganda. Peran pertama yaitu meningkatnya kemampuan menyerap pewarna sehingga dye loading dapat optimal karena mempunyai lapisan dari TiO2 yang berukuran nano dan bentuknya seragam. Peran kedua adalah meningkatnya light scaterring atau penghamburan sinar dan menurunkan kehilangan energi foton di dalam lapisan photoanode karena morfologi lapisan nanofiber TiO2 yang didoping Zn yang berukuran besar dan berserabut panjang. Sehingga, DSSC yang dirakit dengan menggunakan lapisan photoanode dengan konsep double layer dan dicelup dengan pewarna sintetis mampu menghasilkan DSSC dengan efisiensi 3,122% yang berarti terjadi peningkatan efisiensi hingga 3,5 kali dibandingkan dengan photoanode single layer dengan pewarna sintetis. Sedangkan rekayasa lapisan photoanode dengan double layer dengan pewarna alam menghasilkan DSSC dengan efisiensi 0,297% yang berarti terjadi peningkatan efisiensi DSSC yang jauh lebih tinggi yaitu hingga 4,9 kali dibandingkan dengan DSSC menggunakan single layer photoanode dengan pewarna alam. Kedepan, rekayasa DSSC dengan lapisan photoanode dengan konsep double dan multilayer yang ditujukan untuk meningkatkan efisiensi dari DSSC sangat menarik untuk dikembangkan lebih lanjut supaya DSSC ini dapat bersaing dengan sel surya generasi pertama yang sudah lebih dahulu memasuki tahap komersial.
| Item Type: | Thesis (Doctor) |
|---|---|
| Identification Number: | DIS/621.312 42/ARI/r/2017/061703821 |
| Subjects: | 600 Technology (Applied sciences) > 621 Applied physics > 621.3 Electrical, magnetic, optical, communications, computer engineering; electronics, lighting |
| Divisions: | S2/S3 > Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik |
| Depositing User: | Nur Cholis |
| Date Deposited: | 19 Jun 2017 11:01 |
| Last Modified: | 19 Jun 2017 11:01 |
| URI: | http://repository.ub.ac.id/id/eprint/160532 |
Actions (login required)
 |
View Item |