MAKALAH ENERGI

DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) SEBAGAI

SUMBER ENERGI ALTERNATIF RAMAH LINGKUNGAN

Disusun oleh:

Alfonsina Abat A.T. (115061100111027)

Citra Dewi Rakhmania (125061100111002)

Fiindah Mahfiroh Basudewi (125061100111022)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2013

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah

berkenan memberikan rahmat dan petunjukNya kepada kami sehingga makalah,

“DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) sebagai Sumber Energi Alternatif Ramah

Lingkungan” ini dapat diselesaikan.

Makalah ini disusun dan dibuat berdasarkan materi-materi yang ada.

Materi-materi bertujuan agar dapat menambah pengetahuan dan wawasan

mahasiswa dalam mempelajari konversi DSSC menjadi energi. Kiranya dengan

mempelajari makalah ini mahasiswa akan mampu memahami pemanfaatan energi

alternatif terbarukan yakni DSSC dan rangkaian proses di dalamnya untuk diubah

menjadi sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan oleh masyarakat.

Dalam penyusunan makalah ini penulis menyadari bahwa masih terdapat

banyak kekurangan dikarenakan adanya keterbatasan penulis. Oleh karena itu

penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun.

                                                                                                                                     

                                                 

Malang, Mei 2013

                                                                                                                                     

                                                  

Penulis

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Manusia memiliki kehausan yang tidak terpuaskan terhadap energi. Itu

terbukti dari permintaan global terhadap energi yang telah meningkat tiga kali

lipat sejak tahun 1950. Hingga sekarang penggunaannya setara dengan 10.000 juta

ton minyak setahun. Namun, mayoritas pasokan energi tersebut masih tergantung

pada bahan bakar fosil, yakni batubara, minyak bumi, dan gas (Hendroko, 2008).

Bahan bakal fosil merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui,

artinya manusia tidak dapat membuatnya karena bahan bakar fosil terbentuk dari

organisme yang terkubur jutaan tahun yang lalu, bahan bakar fosil telah

memenuhi kebutuhan manusia selama beberapa abad (Parning,2007).

Data Departemen Energi AS tahun 2002 menyebutkan bahwa minyak akan

habis dalam kurung waktu 36,5 tahun tehitung sejak tahun 2002. Dua laporan

mutakhir dari Congressional Research Services (CRS), yaitu tahun 1985 dan

2003, kepada Komisi Energi di Kongres juga menyebutkan bahwa jika tidak ada

perubahan pola pemakaian, cadangan minyak bumi hanya akan cukup 30-50 tahun

lagi. Kondisi Indonesia idem ditto. Jika tidak ada penemuan ladang minyak dan

kegiatan ekplorasi baru, cadangan minyak di Indonesia diperkirakan hanya cukup

untuk memenuhi konsumsi selama 18 tahun mendatang. Sementara itu, cadangan

gas cukup untuk 60 tahun dan batu bara sekitar 150 tahun (Hendroko, 2008).

Dari ulasan diatas dapat dikatakan, masalah global yang utama adalah

lingkungan hidup dan krisis energi (Parning,2007). Istilah krisis energi mengacu

pada kekurangan, atau kenaikan harga yang membumbung untuk satu atau lebih

bentuk energi begitu banyak sehingga menyebabkan polusi dan kerusakan

lingkungan yang membahayakan kesehatan dan kesejahtraan manusia. Masalah

utama dan masalah yang berkaitan dengan penanganan krisis energi ialah

ketergantungan pada sumber minyak dari luar negeri, kestabilan dan sikap politik

banyak pemerintahan yang memasok minyak, permintaan yang membesar atas

minyak oleh negara-negara lain, dan harga minyak yang relatif tinggi (Khisty,

2006).

Kebutuhan yang meningkat terhadap energi juga pada kenyataanya

bertabrakan dengan kebutuhan umat manusia untuk menciptakan lingkungan yang

bersih dan bebas dari polusi. Berbagai konsideran ini menuntut perlunya

dikembangkan sumber energi alternatif yang dapat menjawab tantangan di atas

tersebut (Yuliarto, 2011). Kita harus mulai mengubah arah yang semula hanya

memburu energi (energy-hunting) dari energi fosil ke upaya membudidayakan

energi (energy-farming).

Energi surya merupakan salah satu energi terbarukan yang sedang giat

dikembangkan saat ini. Salah satu aplikasi energi surya adalah pemanfatannya

dalam konversi energi cahaya menjadi listrik yaitu dengan sel surya. Indonesia

sebenarnya sangat berpotensi untuk menjadikan sel surya sebagai salah satu

sumber energi masa depan, mengingat posisi Indonesia pada garis khatulistiwa

yang memungkinkan sinar matahari dapat optimal diterima di hampir seluruh

Indonesia sepanjang tahun. Pengembangan sel surya menjadi sebuah tuntutan

ketika manusia dihadapkan pada berbagai kerusakan lingkungan akibat

penggunaan bahan bakar fosil dan global warming. (Kumara, 2012)

Perkembangan yang menarik dari teknologi sel surya saat ini salah satunya

adalah sel surya yang dikembangkan oleh Gratzel. Sel ini sering juga disebut

dengan sel Grätzel atau dye sensitized solar cells (DSSC) atau sel surya berbasis

pewarna tersensitisasi (SSPT). DSSC 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 (Kumara, 2012). Selain itu sel surya silikon sangat rentan mengalami

masalah keterbatasan bahan baku. Sehingga, dibutuhkan sebuah bentuk energi

matahari dan energi terbaharukan yang dapat mengurangi biaya proses

produksinya dan mempunyai ketersidaan bahan baku yang tak terbatas, dimana

hal ini akan menjadi sangat menarik dan kritis (Goswami, 2007). DSSC

merupakan salah satu kandidat potensial sebagai sel surya generasi mendatang

(Kumara, 2012).

1.2 Tujuan

1. Mengetahui pemanfaatan DSSC sebagai sumber energi alternatif ramah

lingkungan

2. Mengatahui prinsip dan cara kerja DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)

3. Mengetahui cara pembuatan DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)

1.3 Manfaat

1. Dapat mengetahui pemanfaatan DSSC sebagai sumber energi alternatif

ramah lingkungan

2. Dapat mengatahui prinsip dan cara kerja DSSC (Dye-Sensitized Solar

Cell)

3. Dapat mengetahui cara pembuatan DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Solar Sel

Energi terbarukan adalah energi yang berasal dari alam seperti cahaya

matahari dan angin yang dapat diperbarui secara alamiah. Penggunaan energi

melalui solar cell atau sel surya merupakan alternatif yang paling potensial

(Wulandari, 2012)

Pada tahun 2007, Amerika Serikat yang bersumber dari Yale lebih memilih

menggunakan green power dalam kehidupan sehari-hari. Sekitar 7 dari 10

responden yang disurvei menjawab bahwa mereka akan membeli solar panels dan

67% akan membeli kendaraan bermotor hybrid. (Pandur, 2009)

Sel-sel photovoltaic surya adalah alat semikonduktor yang dibuat dari

silicon yang mengubah energi matahari menjadi electron-elektron yang bergerak,

di samping generator dan turbin mekanik yang de facto menyediakan seluruh

listrik di dunia saat ini. (Flavin, 1995). Sel surya bekerja menggunakan energi

matahari dengan mengkonversi secara langsung radiasi matahari menjadi listrik

(Hardeli, 2011).

Saat ini total kebutuhan energi di seluruh dunia mencapai 10 Terra Watt

(setara dengan 3 x 1020 Joule/ tahun) dan diprediksi jumlah ini akan terus

meningkat hingga mencapai 30 Terra Watt pada tahun 2030. Sementara total

energi matahari yang sampai di permukaan bumi adalah 2,6 x 1024 Joule setiap

tahunnya. Sebagai perbandingan, energi yang bisa dikonversi melalui proses

fotosintesis di seluruh permukaan bumi mencapai 2,8 x 1021 J setiap tahunnya.

Jika kita lihat jumlah energi yang dibutuhkan dan dibandingkan dengan energi

matahari yang tiba di permukaan bumi, maka sebenarnya dengan menutup 0,05%

luas permukaan bumi (total luas permukaan bumi adalah 5,1 x 108 km2) dengan

solar cell yang memiliki efisiensi 20%, seluruh kebutuhan energi yang ada di

bumi sudah dapat terpenuhi. (Yuliarto, 2011)

2.2 Perkembangan Solar Sel

2.2.1 Solar Sel Silikon

Ilmuwan Prancis, Edmund Becquerel pada tahun 1839 menemukan bahwa

cahaya yang jatuh pada materi tertentu dapat menyebabkan percikan listrik yang

dikenal dengan ”photoelectric effect” sehingga muatan ini dapat diperbanyak,

dalam kondisi yang tepat, membentuk arus listrik (Flavin, 1995). Pada tahun 1954

, sebuah kelompok Bell yang terpisah menemukan bahwa alat silicon yang mereka

uji menghasilkan listrik pada saat menghadap matahari. Ketika kedua pekerjaan

tersebut disatukan, maka mereka berhasil menyelesaikan suatu pemecahan,

dimana sel silicon yang mengubah 4% dari cahaya matahari yang datang menjadi

listrik yang berkekuatan lima kali lebih banyak dibanding dengan sel selenium

terbaik (Flavin, 1995).

Gambar 1. Efisiensi Sel Photovoltalic Laboran, dari 1978

Sampai Februari 1994 (Flavin, 1995)

Suatu pendekatan yang sedang ditindaklanjuti oleh para peneliti yaitu

mengembangkan sel-sel surya dengan efisiensi tinggi yang dibuat dari bahan baku

seperti gallium arsenide yang telah mencapai efisiensi setinggi 33% di

laboratorium. Sel-sel seperti ini dapat digunakan bersama dengan lensa dan kaca

pemantul yang memfokuskan sinar ke dalamnya, sehingga sangat mengurangi

bahan semi konduktor (Flavin, 1995).

Alat pengimpun (concentrators) dari alat ini tidak mampu menggunakan

sinar matahari yang tersebar, sehingga alat ini lebih cocok digunakan di daerah

tinggi dan panas seperti gurun pasir dan daerah kering lainnya (Flavin, 1995).

Secara sederhana solar sel terdiri dari persambungan bahan semikonduktor

bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari

maka akan terjadi aliran elektron, aliran electron inilah yang disebut sebagai aliran

arus listrik (Widodo, 2003).

Gambar 2. Struktur film tipis solar sel secara umum (Widodo, 2003)

Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping

material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon

tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material

silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah

menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n. (Septiana, 2012)

Gambar 3. Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n

(kelebihan elektron). (Septiana, 2012)

Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga

elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik.

Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan

bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif

pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor

tipe-p (Septiana, 2012).

Sel surya yang banyak digunakan sekarang ini berbahan dasar silikon yang

merupakan hasil dari perkembangan pesat teknologi semikonduktor anorganik.

Walaupun sel surya sekarang didominasi oleh bahan silikon, namun mahalnya

biaya produksi membuat harganya lebih mahal daripada sumber energi dari fosil.

Untuk itu diperlukan sel surya yang murah dengan kinerja sel tinggi dan sel surya

organik bisa menjadi suatu solusi. Sel ini mudah dibuat dari material organik,

tidak mahal, ringan, fleksibel dan beraneka warna (Hardeli, 2011).

2.2.2 Solar Sel Organik

Teknologi DSSC telah berkembang selama bertahun-tahun.

Perkembangannya dirinci di bawah ini :

Pada tahun 1991, Michael Grätzel dan Brian O’Regan telah menemukan

“Dye-sensitized Solar Cells” yang biasa disebut sel Grätzel.

Pada tahun 1995, pewarna yang digunakan dalam sel percobaan yang sensitif

hanya untuk frekuensi high end dari spektrum cahaya (cahaya biru dan UV).

Pada tahun 1999, versi yang lebih baru diperkenalkan dengan respon

frekuensi tinggi yang efisien bahkan pada panjang gelombang merah dan

infra-merah. Pewarna yang digunakan dalam sel-sel memiliki warna coklat-

hitam pekat disebut sebagai pewarna hitam, dan memiliki efisiensi

keseluruhan hampir 90%. Sayangnya, mudah rusak di bawah intensitas

cahaya yang tinggi.

Pewarna baru telah diperkenalkan yang memiliki berbagai sifat khusus,

termasuk 1-etil-3-methylimidazolium tetrocyanoborate (EMIB (CN) 4), yang

merupakan suhu yang stabil, dan tembaga-diselenium (Cu (In, GA) SE2) ,

yang memberikan peningkatan efisiensi konversi.

Para peneliti mencari penggunaan titik-titik kuantum untuk mengubah cahaya

energi tinggi menjadi beberapa elektron, dengan menggunakan solid-state

elektrolit untuk respon suhu yang lebih baik dan memodifikasi doping TiO2

untuk dicocokkan dengan elektrolit yang sedang digunakan.

TiO2 nanopartikel berbasis dye-sensitized solar sel memberikan efisiensi

lebih dari 10%. Molekul-molekul dye teradsorpsi ke permukaan TiO2

nanoparticle sinter. Sinar matahari ditampung oleh dye, dan elektron

diinjeksikan ke TiO2 mana diteruskan melalui nanopartikel TiO2 untuk

mencapai elektroda.

Pada tahun 2004, peneliti dari University of California di Santa Barbara

menggambarkan kinerja dan desain oksida sel surya dye-sensitized nanowire

berbasis seng. Nanowires mengaktifkan jalur konduksi elektron langsung

antara substrat dan titik photogeneration menghasilkan transpor elektron yang

lebih tinggi dibandingkan dengan film nanopartikel sinter. Perangkat

memiliki efisiensi kolektor cahaya di bawah 10%, menunjukkan bahwa

efisiensi dan kepadatan diperkuat oleh peningkatan luas permukaan nanowire.

Sebagian besar penelitian pada DSSC difokuskan pada peningkatan

absorbansi spektral dengan membuat modifikasi dalam dye, meningkatkan

lubang transportasi, penggantian cairan elektrolit dengan menggunakan

polimer atau padatan ionik dan meningkatkan transpor elektron menggunakan

alternatif struktur core-shell atau celah pita lebar bahan semikonduktor.

(Soutter, 2012)

2.3 DSSC

2.3.1 Pengertian DSSC

Sel surya yang mendominasi pasar pada saat ini adalah sel surya bebasis

silikon yang memiliki efisiensi yang tinggi sekitar 15-20%. Namun karena masih

memiliki banyak kelemahan, antara lain proses produksinya yang membutuhkan

proses fabrikasi yang sangat kompleks (pemurnian, proses kristalisasi, dan

fabrikasi) menyebabkan harga jualnya relatif mahal. Untuk itu dikembangkan sel

surya jenis baru yang murah, sederhana dalam proses produksinya dan ramah

lingkungan, yaitu Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) atau Sel Surya Pewarna

Tersensitisasi (SPPT) (Prasetyowati, 2012).Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) atau disebut juga sel Grätzel pertama kali

ditemukan oleh Michael Gratzel dan Brian O’Regan pada tahun 1991 di École

Polytechnique Fédérale de Lausanne, Swiss. Berbeda dengan sel surya

konvensional, DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia yang menggunakan

elektrolit sebagai medium transport muatan untuk mengkonversi cahaya matahari

menjadi energi listrik. Efisiensi konversinya telah mencapai 10-11% (Muliani,

2012).

Teknologi DSSC muncul dari konsep fotosintesis buatan yang mencoba

meniru kemampuan tanaman untuk mengubah sinar matahari menjadi energi yang

berguna. Pada DSSC, klorofil digantikan oleh warna penyerap cahaya, di mana

molekulnya tereksitasi ke bentuk energi yang lebih tinggi oleh cahaya yang

masuk. Energi ini dikumpulkan oleh struktur elektrolit dan katalis, yang

strukturnya lebih seperti daun pada fotosintesis (Kumara, 2012).

2.3.2 Keuntungan DSSC

Keuntungan DSSC dibanding dengan sel surya jenis lainnya, antara lain :

- DSSC merupakan teknologi solar generasi ketiga yang paling efisien yang

tersedia, menyerap lebih banyak cahaya matahari per luas permukaan daripada

panel surya berbasis silikon (Gratzel, 2003).

- Proses fabrikasinya lebih sederhana tanpa menggunakan peralatan yang rumit

dan mahal sehingga biaya fabrikasinya lebih murah (Kumara, 2012).

- DSSC dapat bekerja dalam kondisi cahaya rendah seperti sinar matahari tidak

langsung dan langit mendung (Nadeak, 2012).

- Bahan bakunya mudah didapat dan melimpah (Nadeak, 2012)

- Keunggulan DSSC mengarah langsung ke efisiensi yang lebih tinggi pada

kisaran suhu (Wulandari, 2012)

2.3.3 Material DSSC

Material penyusun Dye Sensitized Solar cell (DSSC) antara lain elektroda

kerja yang terdiri dari substrat kaca Transparant Conductive Oxide (TCO), metal

oksida Titanium Dioxide (TiO2), dye alami, elektrolit, dan elektroda pembanding

(katoda) : platina atau karbon hitam yang dilapiskan ke sebuah kaca konduktor

(gambar 4).

Gambar 4. Struktur Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)(Kumara, 2012)

1. Substrat (Kaca ITO)

Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis TCO (Transparant

Conductive Oxide) yang merupakan kaca transparan konduktif. Material

substrat itu sendiri berfungsi sebagai badan dari sel surya dan film

konduktifnya berfungsi sebagai media transport muatan (elektron). Material

yang umumnya digunakan yaitu flourine-doped tin oxide (SnF atau FTO) dan

Indium Tin Oxide (ITO). Material ini banyak digunakan karena pada proses

pefilm material TiO2 ke substarat, diperlukan proses sintering

(proses pemanasan dibawah titik leleh dalam rangka membentuk fase kristal

baru sesuai dengan yang diinginkan) pada temperatur 400-500oC  dan kedua

temperatur tidak mengalami cacat pada rentang temperatur tersebut (Kumara,

2012).

2. Sebuah metal-oksida / oksida semikonduktor (TiO2, ZnO atau SnO2)

Sebuah metal-oksida / oksida semikonduktor (TiO2, ZnO atau SnO2)

digunakan sebagai kolektor elektron sekaligus sebagai anoda. Penggunaan

oksida semikonduktor dalam fotoelektrokimia dikarenakan kestabilannya

menghadapi fotokorosi. TiO2 paling banyak digunakan karena efisiensinya

lebih tinggi dari yang lain. TiO2 merupakan bahan semikonduktor yang

bersifat inert, stabil terhadap fotokorosi dan korosi oleh bahan kimia. Film

TiO2 memiliki band gap yang tinggi (>3eV) dan memiliki transmisi optik

yang baik. Lebar pita energinya yang besar (> 3eV), dibutuhkan dalam DSSC

untuk transparansi semikonduktor pada sebagian besar spektrum cahaya

matahari. TiO2 yang digunakan pada DSSC umumnya berfasa anatase karena

mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi. TiO2 dengan struktur nanopori

yaitu ukuran pori dalam skala nano akan menaikan kinerja sistem karena

struktur nanopori mempunyai karakteristik luas permukaan yang tinggi

sehingga akan menaikan jumlah dye yang teradsorb yang implikasinya akan

menaikan jumlah cahaya yang terabsorb. (Kumara, 2012).

3. Dye

Dye yang teradsorpsi pada permukaan TiO2 merupakan zat pewarna yang

berfungsi sebagai penyerap (absorbsi) cahaya matahari untuk menghasilkan

elektron. Dye yang banyak digunakan dan mencapai efisiensi tertinggi yaitu

jenis ruthenium kompleks. Namun dye jenis ini cukup sulit untuk disintesa

dan ruthenium kompleks komersil berharga sangat mahal. Alternatif lain

dengan menggunakan dye dari tumbuhan. Proses fotosintesis pada tumbuhan

telah membuktikan adanya senyawa pada tumbuhan yang dapat digunakan

sebagai dye, antara lain : antosianin, klorofil, dan xantofil. Didapatkan

efisiensi konversi energi yang lebih baik pada turunan dyes klorofil tersebut

karena memiliki gugus carboxylate (Kumara, 2012).  

Gambar 5. Perbesaran adsorbsi dye pada  substrat dan

oksida semikonduktor (Karasovec, 2009)

4. Elektrolit

Elektrolit berfungsi untuk meregenerasi dye. Elektrolit yang digunakan pada

DSSC terdiri dari iodine (I-) dan triiodide (I3-) sebagai pasangan redoks dalam

pelarut. Karakteristik ideal dari pasangan redoks untuk elektrolit DSSC yaitu :

1. Potensial redoksnya secara termodinamika berlangsung sesuai dengan

potensial redoks dari dye untuk tegangan sel yang maksimal. 

2. Tingginya kelarutan terhadap pelarut untuk mendukung konsentrasi yang

tinggi dari muatan pada elektrolit.

3. Pelarut mempunyai koefisien difusi yang tinggi untuk transportasi massa

yang efisien.  

4. Tidak adanya karakteristik spektral pada daerah cahaya tempak untuk

menghindari absorbsi cahaya daatng pada elektrolit.

5. Kestabilan yang tinggi baik dalam bentuk tereduksi maupun teroksidasi.

(Kumara, 2012)

5. Katoda

Katalis dibutuhkan untuk merpercepat kinetika reaksi proses reduksi triiodide

pada TCO. Platina, material yang umum digunakan sebagai katalis pada

berbagai aplikasi, juga sangat efisien dalam aplikasinya pada DSSC. Sebagai

alternatif, Kay & Gratzel mengembangkan desain DSSC dengan

menggunakan counter-elektroda karbon sebagai film katalis. Karena luas

permukaanya yang tinggi, counter-elektroda karbon mempunyai keaktifan

reduksi triiodide yang menyerupai elektroda platina (Kumara, 2012).

2.4 Prinsip dan Cara Kerja DSSC

2.4.1 Prinsip Kerja DSSC

Gambar 6. Diagram Sistematik DSSC (Millington, 2009)

Elektroda kerja pada DSSC merupakan kaca yang sudah dilapisi oleh TiO2

yang telah terabsorbsi oleh dye, yang mana TiO2 berfungsi sebagai collector

elektron sehingga dapat disebut sebagai semikonduktor tipe-n. Struktur nano pada

TiO2 memungkinkan dye yang teradsorpsi lebih banyak sehingga menghasilkan

proses absorbsi cahaya yang lebih efisien. Pada elektron pembanding dilapisi

katalis berupa karbon untuk mempercepat reaksi redoks pada elektrolit. Pasangan

redoks yang umumnya dipakai yaitu I-/I3- (iodide/triiodide) (Kumara, 2012).

Pada DSSC dye berfungsi sebagai donor elektron yang menyebabkan

timbulnya hole saat molekul dye terkena sinar matahari. Sehingga dye dapat

dikatakan sebagai semikonduktor tipe-p. Ketika molekul dye terkena sinar

matahari, electron dye tereksitasi dan masuk ke daerah tereduksi yaitu film

titanium dioksida (Rita, 2012).

2.4.2 Cara Kerja DSSC

Gambar 7. Diagram Sistematik Energi dan Prinsip Operasi DSSC (Luque, 2011)

Pada dasarnya prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer

elektron, sedangkan proses yang terjadi di dalam DSSC dapat dijelaskan sebagai

berikut :

(1) Ketika foton dari sinar matahari menimpa elektroda kerja pada DSSC,

energi foton tersebut diserap oleh larutan dye yang melekat pada

permukaan partikel TiO2. Sehingga elektron dari dye mendapatkan energi

untuk dapat tereksitasi. Elektron tereksitasi dari ground state (D)

ke excited state (D*). Reaksinya :

D + cahaya D*

(2) Elektron yang tereksitasi dari molekul dye tersebut akan diinjeksikan ke

pita konduksi (ECB) TiO2 dimana TiO2 bertindak sebagai akseptor /

kolektor elektron. Molekul dye yang ditinggalkan kemudian dalam

keadaan teroksidasi (D+). Reaksinya :

D* + TiO2 e-(TiO2) + D+

(3) Setelah mencapai elektroda TCO, elektron akan ditransfer melewati

rangkaian luar menuju elektroda pembanding (elektroda karbon) melalui

rangkaian eksternal.

(4) Dengan adanya katalis pada elektroda pembanding, elektron dapat

diterima oleh elektrolit. Elektrolit redoks biasanya berupa pasangan iodide

dan triodide (I-/I3-) yang bertindak sebagai mediator elektron sehingga

dapat menghasilkan proses siklus dalam sel. Hole yang terbentuk pada

elektrolit (I3-), akibat donor elektron pada proses sebelumnya,

berekombinasi dengan elektron membentuk iodida (I-). Reaksinya :      

2I3- + 2e- 3I-                                                

(5) Iodida digunakan untuk mendonor elektron kepada dye yang teroksidasi,

sehingga terbentuk suatu siklus transport elektron. Dengan siklus ini

terjadi konversi langsung dari energi cahaya matahari menjadi energi

listrik. Elektron yang tereksitasi masuk kembali ke dalam sel dan bereaksi

dengan elektrolit menuju dye teroksidasi. Dengan adanya donor elektron

oleh elektrolit (I-) maka molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground

state) dan mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang

teroksidasi. Sehingga dye kembali ke keadaan awal dengan persamaan

reaksi :

D+ + e-(elektrolit) elektrolit + D (Kumara, 2012)

Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya TiO2 tersensitisasi dye berasal dari

perbedaan tingkat energi konduksi elektroda semikonduktor TiO2 dengan

potensial elektrokimia pasangan elektrolit redoks (I-/I3-). Sedangkan arus yang

dihasilkan dari sel surya ini terkait langsung dengan jumlah foton yang terlibat

dalam proses konversi dan bergantung pada intensitas penyinaran serta kinerja dye

yang digunakan (Kumara, 2012)

2.5 Pembuatan DSSC

Pembuatan Koloid TiO2

Bubuk komersial dari TiO2, seperti P25 (Degussa atau Nippon Aerosil),

dapat digunakan untuk proses fabrikasi dari fotoelektrota. Koloid TiO2 dibuat

dengan menghidrolisiskan Ti(IV) alkoksida, seperti isopropoksida dan butoksida,

dimana bahan-bahan tersebut selalu digunakan untuk menghasilkan solar sel

dengan performa yang tinggi. Secara umum, bentuk TiO2 dalam anatase lebih

stabil untuk dijadikan elektroda dibandingkan dengan bentuk TiO2 rutile.

Pembuatannya melalui beberapa langkah :

1. Mengendapkan dengan menghidrolisis Ti alkoksida menggunakan 0,1 M

HNO3

2. Peptisasi dengan memanaskan pada suhu 80°C selama 8 jam, diikuti

penyaringan.

3. Pertumbuhan Hidtrotermal dengan autoclaving pada 200 hingga 250°C selama

12 jam.

4. Membersihkan dengan sinar ultrasonic dengan ultrasonic.

5. Mengatur konsentrasi dengan evaporator. (Luque, 2011)

Pengendapan berkaitan dengan mengkontrol hidrolisis dari Ti alkoksida,

seperti Ti isopropoksida. Untuk menghasilkan monodispersi partikel sesuai

ukuran yang diinginkan, hidrolisis dan kinetik kondensasi harus benar-benar

terkontrol. Ti-Alkoksida sesuai dimodifikasi dengan asam asetat atau

menghasilkan koloid asetil asetonat yang mempunyai luas permukaan (>200 m2 g-

1) dan partikel terkecil berdiameter (5 – 7 nm). Hasil perptisasi dalam pemisahan

dari agglomerates untuk partikel utama, setelah agglomerates berukuran besar

hilang akibat penyaringan. Autoclaving dari larutan koloid timah TiO2 untuk

pertumbuhan pertumbuhan partikel utama berukuran 10-25 nm dan juga sampai

batas tertentu dapat meningkatkan anatase kristalinitas. Pada autoclaving bersuhu

tinggi, terjadi pertumbuhan partikel lebih dan pembentukan rutil juga terjadi,

terutama pada temperatur di atas 240°C. Elektroda disusun dengan menggunakan

koloid diautoclave pada/atau di bawah suhu 230°C dihasilkan elektroda

transparan, sedangkan yang terbuat dari koloid diautoclave pada suhu yang lebih

tinggi dihasilkan elektroda tembus cahaya atau tak tembus cahaya. Setelah

autoclaving, endapan yang didispersikan kembali menggunakan prosesor

ultrasonik yang dilengkapi dengan Ti-utama (misalnya Sonics & Bahan Inc, 400-

600 W). Larutan koloid kemudian diatur konsentrasinya pada suhu 45°C

menggunakan evaporator berputar untuk mencapai konsentrasi yang diinginkan

11% berat TiO2 (Luque, 2011).

Penyiapan Elektroda TiO2

Film TiO2 dibuat dengan salah satu dari dua metode berikut :

Teknik Doktor Blade

Untuk meningkatkan porositas film, 0,02-0,07 g glikol polietilen (PEG,

dengan berat molekul 20000) ditambahkan sebagai pengikat untuk 1 mL dari

larutan koloid TiO2 terkonsentrasi (TiO2, 11% berat). Jika bubuk komersial seperti

P25 digunakan, bubuk akan tersebar dengan mencampurkannya dengan air, juga

di tambahkan stabilisator partikel seperti asetilaseton, dan surfaktan nonionik

seperti Triton X. Larutan koloid TiO2 tersebar pada substrat TCO dan kemudian

disinter pada 450°C selama 30 menit di bawah air. Film TiO2 yang dihasilkan

transparan (Luque, 2011).

Percetakan

Koloid TiO2 dipisahkan dari air dan diasamkan, dicuci dengan hati-hati, dan

kemudian dicampur dengan EC sebagai pengikat dan α-terpineol sebagai pelarut

dalam etanol, menghasilkan TiO2 pasta organik setelah etanol diuapkan. Pasta

tersebut dicetak pada substrat TCO menggunakan mesin sablon dan kemudian

disinter pada 500°C selama 1 jam di bawah air. Ketebalan film mudah dikontrol

dalam pencetakan layar dengan pemilihan komposisi pasta (yaitu % berat TiO2

nanopartikel dalam pasta), ukuran layar mesh, dan pengulangan pencetakan

(Luque, 2011).

Film disiapkan oleh kedua metode memiliki ketebalan film dari 5 sampai 15

μm dan massa film sekitar 1 sampai 2 mg cm-2. Ketebalan film yang optimal

adalah 13 sampai 14 μm. Film-film memiliki porositas 60 sampai 70%. Porositas

tinggi menghasilkan difusi efektif mediator redoks ke dalam film. Kekasaran

faktor (ditampilkan di atas) untuk film 10-μm mencapai sekitar 1000,

memungkinkan adsorpsi dalam jumlah besar fotosensitizer dan akibatnya

meningkatkan efisiensi pemanenan cahaya. TiO2 Film dibuat dari 10 sampai 20

nm partikel TiO2 yang transparan (Luque, 2011).

Hamburan properti dari film ini adalah penting bagi peningkatan LHE dari

film dye berlapis, sehingga menghasilkan kinerja IPCE perbaikan sel. Ini efek

hamburan dalam film TiO2 telah diteliti secara rinci. Jalur panjang dari insiden

ringan dan oleh karena itu penyerapan karena zat warna teradsorpsi dapat

ditingkatkan dengan hamburan cahaya dalam film TiO2. Hal ini dapat dilakukan

dengan penambahan beberapa besar TiO2 partikel kecil dalam partikel TiO2

selama persiapan Film, karena partikel yang lebih besar memiliki luas permukaan

kecil dan akibatnya tidak dapat menyerap sejumlah besar pewarna. Sebuah

simulasi hamburan cahaya dalam elektroda TiO2 dari DSSC memprediksi bahwa

campuran cocok kecil partikel TiO2 (misalnya 20 nm diameter) dan partikel yang

lebih besar (250-300 nm diameter), yang merupakan pusat-hamburan cahaya yang

efektif, memiliki potensi untuk meningkatkan penyerapan cahaya matahari secara

signifikan. Sebenarnya, photocurrent dari DSSCincreased dengan menggunakan

film hamburan dibandingkan untuk film transparan. Perbaikan dalam

photoresponse dari DSSC karena efek hamburan diamati terutama di wilayah-

energi rendah (misalnya 650-900 nm). Nilai IPCE yang diperoleh di wilayah

merah lebih tinggi dari apa yang ditunjukkan oleh spektrum penyerapan zat warna

dalam larutan. Di sisi lowenergy, bagian penting dari radiasi insiden menembus

film karena koefisien penyerapan rendah pewarna, sedangkan foton 500 sampai

650 nm dapat diserap terutama dekat antarmuka TCO/ TiO2 karena koefisien

absorpsi yang besar. Beberapa refleksi dari cahaya-energi rendah sangat

hamburan film mengakibatkan penyerapan cahaya meningkat dan karenanya

meningkatkan photoresponse dari apa penyerapan solusi spektrum menunjukkan

(Luque, 2011).

Ini juga telah melaporkan bahwa TiCl4 pengobatan film secara signifikan

meningkatkan kinerja sel, terutama photocurrent. Setelah pencetakan, TiO2 film

tenggelam dalam 0,1-0,5 M TiCl4 larutan air pada suhu ruang dan kemudian

disinter pada 450°C selama 30 menit. Ada kemungkinan bahwa TiCl4 pengobatan

meningkatkan photocurrent dengan meningkatkan hubungan antara partikel TiO2

(Luque, 2011).

Fiksasi Dye pada Film TiO2

Setelah penyusunan TiO2 film, pewarna fotosensitizer N3 diserap ke

permukaan TiO2. Film-film yang dicelupkan dalam larutan pewarna (0,2-0,3 mM

dalam etanol atau tert-butanol-asetonitril, 1:1 larutan campuran) diikuti dengan

penyimpanan pada suhu kamar selama 12 sampai 18 jam. Perawatan ini

menghasilkan warna intens film. Sebelum digunakan, film ini dicuci dengan

alkohol atau asetonitril untuk menghilangkan kelebihan pewarna tak teradsorpsi

dalam nanopoori TiO2 Film (Luque, 2011).

Eelektroda Redox

Solusi organik yang mengandung ion redoks yodium telah digunakan

sebagai elektrolit redoks. Pelarut organik tipikal adalah pelarut nitrile memiliki

viskositas relatif rendah, seperti asetonitril, propionitril, methoxyacetonitrile, dan

methoxypropionitrile, yang menghasilkan tingkat tinggi konduktivitas ion. Telah

dilaporkan bahwa derivatif imidazolium, seperti iodida 1,2-dimetil-3-

hexylimidazolium (DMHImI) dan iodida 1,2-dimetil-3-propylimidazolium

(DMPImI), menurunkan resistensi dari larutan elektrolit dan meningkatkan

kinerja fotovoltaik. Sebuah komposisi elektrolit khas yang menghasilkan kinerja

sel surya tinggi untuk photosensitizers Ru kompleks dilaporkan oleh kelompok

Gratzel adalah campuran 0,5 M DMHImI, 0,04 M LII, 0,02 M I2, dan 0,5 M tert-

butylpyridine (TBP) dalam asetonitril. Seperti dibahas sebelumnya, TBP

menggeser tingkat konduksi-band dari elektroda TiO2 ke arah negatif dan

menekan arus gelap yang sesuai dengan pengurangan ion I3- oleh elektron

disuntikkan, yang mengarah ke peningkatan tegangan (Luque, 2011).

Elektroda Counter

Tergagap Pt pada substrat TCO (5-10 mg cm-2, atau ketebalan 200 nm) telah

biasanya digunakan sebagai elektroda lawan. Ketika Pt tergagap menghasilkan

efek seperti cermin, photocurrent sedikit meningkat karena efek cahaya refleksi.

Selain itu, aktivitas elektrokatalitik dari Pt-tergagap TCO elektroda untuk reduksi

ion-ion tri-iodida ditingkatkan dengan pembentukan Pt koloid di permukaan.

Sejumlah kecil larutan beralkohol dari H2PtCl6 dijatuhkan pada permukaan Pt-

tergagap TCO substrat, diikuti dengan pengeringan dan pemanasan pada 385°C

selama 10 menit, sehingga pembentukan Pt koloid di permukaan. Sifat dari

elektroda lawan Pt langsung mempengaruhi faktor isi dari sel surya. Sebuah

diinginkan rapat arus pertukaran sesuai dengan aktivitas elektrokatalitik untuk

pengurangan ion tri-iodida adalah 0,01-0,2 A/cm-2 (Luque, 2011).

Menggabungkan Elektroda TiO2 dan Elektroda

Kita dapat dengan mudah membuat sebuah DSSC membukanya dan

mengukur kinerja PV. Sebuah film spacer, seperti polietilena (15 - sampai 30-μm

tebal), ditempatkan pada photoelectrode TiO2 dye berlapis dan kemudian larutan

elektrolit dijatuhkan pada permukaan TiO2 elektroda menggunakan pipet (satu

atau dua tetes). Elektroda counter ditempatkan di atas elektroda TiO2, dan

kemudian dua elektroda diikat bersama-sama dengan dua klip pengikat. Jika titik

lebur film polimer rendah seperti Surlyn digunakan sebagai pengganti film spacer,

kita dapat membuat sel disegel setelah kemasan dari sel menggunakan resin

(misalnya etilena vinil asetat, EVA) untuk stabilitas jangka panjang (Luque,

2011).

Gambar 7. Skala Fabrikasi DSSC. (Luque, 2011)

BAB III

KESIMPULAN

DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia yang menggunakan elektrolit

sebagai medium transport muatan untuk mengkonversi cahaya matahari menjadi

energi listrik, dimana efisiensi konversinya telah mencapai 10-11% (Muliani,

2012).

Teknologi DSSC muncul dari konsep fotosintesis buatan yang mencoba

meniru kemampuan tanaman untuk mengubah sinar matahari menjadi energi yang

berguna. Pada DSSC, klorofil digantikan oleh warna penyerap cahaya, di mana

molekulnya tereksitasi ke bentuk energi yang lebih tinggi oleh cahaya yang

masuk. Energi ini dikumpulkan oleh struktur elektrolit dan katalis, yang

strukturnya lebih seperti daun pada fotosintesis (Kumara, 2012).

Prinsip Kerja DSSC

Pada dasarnya prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer

elektron (Kumara, 2012). Dye berfungsi sebagai donor elektron yang

menyebabkan timbulnya hole saat molekul dye terkena sinar matahari. Ketika

molekul dye terkena sinar matahari, electron dye tereksitasi dan masuk ke daerah

tereduksi yaitu film titanium dioksida (Rita, 2012). TiO2 berfungsi sebagai

collector elektron. Struktur nano pada TiO2 memungkinkan dye yang teradsorpsi

lebih banyak sehingga menghasilkan proses absorbsi cahaya yang lebih efisien.

Pada elektron pembanding dilapisi katalis berupa karbon untuk mempercepat

reaksi redoks pada elektrolit (Kumara, 2012).

Cara Kerja DSSC

Ketika foton dari sinar matahari menimpa elektroda kerja pada DSSC,

energi foton diserap oleh larutan dye, sehingga elektron dari dye mendapatkan

energi untuk dapat tereksitasi. Elektron yang tereksitasi tersebut akan diinjeksikan

ke TiO2 dimana TiO2 bertindak sebagai akseptor / kolektor elektron, kemudian

molekul dye teroksidasi (D+). Setelah mencapai elektroda TCO, elektron akan

ditransfer melewati rangkaian luar menuju elektroda pembanding (elektroda

karbon). Dengan adanya katalis pada elektroda pembanding, elektron dapat

diterima oleh elektrolit. Elektrolit redoks bertindak sebagai mediator elektron

sehingga dapat menghasilkan proses siklus dalam sel. Elektrolit (I3-)

berekombinasi dengan elektron membentuk iodida (I-). Iodida digunakan untuk

mendonor elektron kepada dye yang teroksidasi, terbentuklah suatu siklus

transport elektron. Elektron yang tereksitasi masuk kembali ke dalam sel dan

bereaksi dengan elektrolit menuju dye teroksidasi, sehingga molekul dye kembali

ke keadaan awalnya (ground state) dan mencegah penangkapan kembali elektron

oleh dye yang teroksidasi. (Kumara, 2012)

Tegangan yang dihasilkan oleh sel surya TiO2 tersensitisasi dye berasal dari

perbedaan tingkat energi konduksi elektroda semikonduktor TiO2 dengan

potensial elektrokimia pasangan elektrolit redoks (I-/I3-). Sedangkan arus yang

dihasilkan dari sel surya ini terkait langsung dengan jumlah foton yang terlibat

dalam proses konversi dan bergantung pada intensitas penyinaran serta kinerja dye

yang digunakan (Kumara, 2012)

Cara Pembuatan DSSC

Pembuatan Koloid TiO2

Mengendapkan partikel koloid TiO2 dengan menghidrolisis Ti alkoksida

menggunakan 0,1 M HNO3. Peptisasi partikel kolod TiO2 dengan memanaskan

pada suhu 80°C selama 8 jam, diikuti dengan penyaringan. Autoclaving larutan

koloid timah TiO2 pada suhu 200-250°C selama 12 jam. Elektroda yang disusun

dari proses Autoclaving dibersihkan dengan sinar ultrasonic. Konsentrasi larutan

koloid diatur menggunakan evaporator berputar (Luque, 2011).

Penyiapan Elektroda TiO2

Koloid TiO2 dipisahkan dari air dan diasamkan, dicuci dengan hati-hati, dan

kemudian dicampur dengan EC sebagai pengikat dan α-terpineol sebagai pelarut

dalam etanol, menghasilkan TiO2 pasta organik setelah etanol diuapkan. Pasta

tersebut dicetak pada substrat TCO menggunakan mesin sablon dan kemudian

disinter pada 500°C selama 1 jam di bawah air (Luque, 2011).

Fiksasi Dye pad Film TiO2

Setelah film TiO2 disusun, film-film dicelupkan dalam larutan pewarna

diikuti dengan penyimpanan pada suhu kamar selama 12 sampai 18 jam. Film ini

dicuci dengan alkohol atau asetonitril untuk menghilangkan kelebihan pewarna

tak teradsorpsi dalam nanopoori TiO2 Film (Luque, 2011).

Eelektroda Redoks

Solusi organik yang mengandung ion redoks yodium (ion I3-) telah

digunakan sebagai elektrolit redoks. (Luque, 2011).

Elektroda Counter

Sejumlah kecil larutan beralkohol dari H2PtCl6 dijatuhkan pada permukaan

Pt-tergagap TCO substrat, diikuti dengan pengeringan dan pemanasan pada 385°C

selama 10 menit (Luque, 2011).

Mengabungkan Elektroda TiO2 Elektroda

Sebuah film spacer, ditempatkan pada photoelectrode TiO2 dye berlapis dan

kemudian larutan elektrolit dijatuhkan pada permukaan TiO2 (satu atau dua tetes).

Elektroda counter ditempatkan di atas elektroda TiO2, dan kemudian dua

elektroda diikat bersama-sama dengan dua klip pengikat (Luque, 2011).

DAFTAR PUSTAKA

Flavin, Christopher. 1995. Gelombang Revolusi Energi. Jakarta : IKAPI

Goswami, D. Yogi. 2007. Advances in Solar Energy: An Annual Review of

Research and Develoμment Volume 17. USA : American Solar Energy

Society.

Hardeli. 2011. Pembuatan Prototipe Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)

Menggunakan Ubi Jalar Ungu, Wortel dan Kunyit Sebagai Sumber Zat

Warna. Padang : UNP

Hendroko, Roy, Rama Prihandana. 2008. Energi Hijau: Pilihan Bijak Menuju

Negeri Mandiri Energi. Jakarta: Niaga Swadaya.

Ksidty, C. Jotin, B. Kent Lall. 2006. Dasar-Dasar Rekayasa Teknologi. Jakarta :

Erlangga.

Karasovec, U. O., Berginc, M., Hocevar, M., and Topic, M. 2009. Unique

TiO2  paste for high efficiency dye-sensitized solar cell . Solar Energy

Materials & Solar Cell, Vol. 93, pp. 379 – 381.

Kumara, Maya Sukma Widya, Drs. Gontjang Prajitno, M.Si. 2012. Studi Awal

Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Menggunakan

Ekstraksi Daun Bayam ( Amaranthus Hybridus L. ) Sebagai Dye

Sensitizer Dengan Variasi Jarak Sumber Cahaya Pada DSSC . Surabaya :

Digilib ITS.

Leque, Antonio, Steven Hegedus. 2011. Handbook of Photovoltalic Science and

Engineering. UK : John Willey & Sons.

Millington, K.R.. 2009. Dye-Sensitized Cells. Australia : Elsevier B. V.

Muliani, Lia., Rosa, Erlyta Rosa., Hidayat, Jojo., dkk. Pembuatan Sel Surya

Berbasis Dye-Sensitized Menggunakan Substrat Fleksibel. Bandung :

Teknik Fisika Fakultas Teknik Industri ITB.

Nadeak, S. M. Reynard. 2012. Variasi Temperatur dan Waktu Tahan Kalsinasi

terhadap Unjuk Kerja Semikonduktor TiO2 sebagai Dye Sensitized

Solar Cell (DSSC) dengan Dye dari Ekstrak Buah Naga Merah.

Surabaya : Teknik Material dan Metalurgi ITS.

Pandur, Servas. 2009. Energynomics : Ideologi Terbar u Dunia. Jakarta: Gramedia

Parning, Horale, Tiopan. 2007. Kimia SMA Kelas X Semester Pertama. Jakarta :

Yudhistira Ghalia Indonesia.

Prasetyowati, Rita. 2012. Sel Surya Berbasis Titania sebagai Sumber Energi

Listrik Alternatif. Yogyakarta : Fakultas MIPA Universitas Negeri

Yogyakarta.

Septiana, Wilman. 2012. Sel Surya : Struktur dan Cara Kerja. Medan : USU

Soutter, Will. 2012. Soaking Up the Sun : Drexel-Penn Partnership to Develop

More Efficient Dye-Sensitized Solar Panels. Philadephia : Britt

Faulstick.

Widodo, Tjatur, Rusminto. 2003. Solar Cell : Sumber Energi Masa Depan yang

Ramah Lingkungan. ITS : Surabaya

Wulandari, Henni, Eka. 2012. Studi Awal Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell

(DSSC) Menggunakan Ekstraksi Bunga Sepatu ( Hibiscus Rosa Sinensis

L . ) sebagai Dye Sinsitizer dengan Variasi Lama Absorpsi Dye.

Surabaya : ITS.

Yuliarto, Brian, PhD. 2011. Solar Sel. Bandung : ITB