Makalah
Dye-Sensitized Solar Cell(dssc)
Oleh:
Nama: FatimahNIM:(20214039)Mata kuliah: Kapita Selekta Material
ElektronikDosen pengampu: Prof. Dr. Eng. Khairurrjjal
PROGRAM STUDI MAGISTER FISIKAFakultas matematika dan ilmu
pengetahuan alamINSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG2014
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISIi
BABIPENDAHULUAN1
BABIIPEMBAHASAN22.1 Pengertian Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)22.2 Sejarah dan Perkembangan Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)22.3 Komponen-komponen Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)32.4
Prinsip Kerja Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)62.5 Hasil Penelitian
Tentang Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)8
BABIIIKESIMPULAN10
DAFTAR PUSTAKA12
i
BAB I. PENDAHULUAN
Sel surya, atau yang juga sering disebut sel photovoltaic
pertama kali menjadi bahasan publik pada awal abad 19. Sel surya
adalah perangkat semikonduktor yang dengan hadirnya cahaya matahari
mampu menghasilkan energi listrik. Pertama kali dapat dijelaskan
secara ilmiah berdasarkan hipotesa quantum cahaya yang dikeluarkan
Einstein pada tahun 1905. Menurut penuturan Einstein, selain
memiliki karakteristik gelombang, cahaya matahari juga terdiri dari
kumpulan photon-photon yang memiliki energi.Sehingga, apabila
cahaya matahari mengenai sel surya maka energi yang dimiliki photon
akan diserap oleh molekul di dalam sel surya dan kemudian energi
cahaya tersebut dirubah menjadi energi listrik. Dalam proses
perubahan energi ini, semikonduktor adalah kunci yang berperan
sehingga sel surya dapat menjalankan fungsinya dengan
baik.Perkembangan sel surya saat ini tidak hanya pada sel surya
berbasis wafer silicon saja (a-Si, mono dan poly Si) namun sel
surya organik juga telah banyak diteliti untuk kebutuhan sel surya
yang murah dan mudah dibuat. Salah satunya adalah sel surya
tersentisasi Dye atau yang sering dikenal dengan Dye Sensitized
Solar Cell (DSSC).
1
BAB II. PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)Dye Sensitized
Solar Cell (DSSC) merupakan sel suryayang terbuat
darisemikonduktroryangdilapisiolehzat warna untuk meningkatkan
efisiensi konversi sinar matahari. Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)tersusunataselektroda kerja, elektroda counter dan
elektrolit. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)bekerja pada daerah
sinar tampak hingga sedikit infra merah. Sinar tampak merupakan
gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 390-770 nm,
sedangkan infra merah sedikit lebih panjang.Beberapa keuntungan Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC)adalah proses fabrikasinya lebih
sederhana tanpa menggunakan peralatan yang rumit dan mahal sehingga
biaya fabrikasinya lebih murah dengan efisiensi () sekitar 10-11%.
Stabilitas dari Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)ini sangat
bergantung pada komposisi kimia dan kondisi fisis elektrolit.Sejauh
ini dye yang digunakan sebagai sensitizer dapat berupa dye sintesis
maupun dye alami. Dye sintesis umumnya menggunakan organik logam
berbasis ruthenium komplek yang harganya cukup mahal. Sedangkan dye
alami dapat diekstrak dari bagian-bagian tumbuhan seperti daun,
bunga atau buah. Berbagai jenis ekstrak tumbuhan telah digunakan
sebagai fotosensitizer pada sistem sel surya tersensitisasi
dye.
2.2 Sejarah dan Perkembangan Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)Pada tahun 1991, Michael Grtzel dan Brian ORegan telah
menemukan Dye-sensitized Solar Cells yang biasa disebut sel Grtzel.
Sel pertama hanya dapat digunakan untuk spektrum ultraviolet dan
biru pada cahaya matahari. Seiring perkembangan jaman, kemajuan
teknologi mampu memperlebar frekuensi cahaya dimana sel surya ini
mampu merespon cahaya matahari dengan memanfaatkan bahan dye
tertentu. Bahan dye yang paling efisien secara mudah disebut dengan
dye hitam karena warna dari dye yang sangat gelap.
12Meskipun solar sel berbasis silicon saat ini lebih efisien,
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) tetap banyak dikembangkan karena
proses manufakturnya yang mudah dan jauh lebih murah. Efisiensi
secara keseluruhan penemuan dan penelitian Dye Sensitized Solar
Cell (DSSC) mampu mencapai 11% dengan memanfaatkan titanium
dioksida (TiO2). Saat ini peneliti pada Universitas Washington
menemukan teknik baru yang mengadopsi metode bola popcorn. Ketika
cahaya mengenai permukaan sel surya, beberapa persen cahaya
dipantulkan. Ide pada efek bola popcorn adalah membuat sebanyak
mungkin lapisan sangat tipis, sehingga efisiensi keluaran sel surya
dapat berlipat ganda. Pada pengujian metode bola popcorn, peneliti
takjub telah menemukan cara menaikkan efisiensi sel surya berbasis
seng dioksida dari 2,9% menjadi lebih dari 6%. Peningkatan
efisiensi dari Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) ini membuat posisi
sel surya ini menjadi lebih siap untuk segera dikomersiilkan
bersama produk pengkonversi energi lain. Pada masa yang akan datang
diharapkan efisiensi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dapat lebih
ditingkatkan lagi.
2.3 Komponen-komponen Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah jenis sel surya yang tersusun
dari 3 komponen utama yaitu elektroda kerja (working electrode),
elektroda lawan (counter electrode) dan larutan elektrolit.
Elektroda kerja umumnya terbuat dari lapisan tipis TiO2 yang
ditumbuhkan pada substrat kaca Transparant Conductive Oxide (TCO).
Dalam lapisan TiO2 ditanam sensitizer (dye) yang berfungsi untuk
menyerap cahaya.Secara lebih rinci, komponen-komponen DSSC
dijelaskan sebagai berikut:1. Substrat
3Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis TCO (Transparent
Conductive Oxide) yang merupakan kaca transparan konduktif.
Material substrat berfungsi sebagai badan dari sel surya dan
lapisan konduktif berfungsi sebagai media transport muatan
(elektron). Material yang umumnya digunakan yaitu Flourine-doped
Tin Oxide (SnO2F atau FTO) dan Indium Tin Oxide (In2O3:Sn atau
ITO). Material ini dipilih karena pada proses pelapisan material
TiO2 ke substrat, diperlukan proses sintering pada temperatur
400-500oC dan kedua material tersebut tidak mengalami cacat pada
rentang temperatur tersebut.2. Titanium Dioksida (TiO2)Titanium
Dioksida (TiO2) merupakan salah satu jenis semikonduktor yang
terdapat di alam secara alami dan dikenal juga dengan nama titania.
Material ini memiliki energi celah pita yang lebar dalam kisaran
3,2 eV 3,8 eV. Titania murni hanya mampu menyerap 5% dari energi
cahaya matahari pada daerah panjang gelomabang UV. Secara umum
titania dibagi menjadi 3 jenis bentuk Kristal yaitu anastase,
rutile, dan brookite. Untuk aplikasinya pada DSSC, TiO2 yang
digunakan umunya berfasa anatase karena mempunyai kemampuan
fotoaktif yang tinggi.
3. Nanopori Oksida Semikonduktor Penggunaan oksida semikonduktor
dalam fotoelektrokimia dikarenakan kestabilannya menghadapi
fotokorosi. Lebar pita energinya yang besar (> 3eV), dibutuhkan
dalam DSSC untuk transparansi semikonduktor pada sebagian besar
spektrum cahaya matahari. Semikonduktor digunakan antara lain TiO2,
ZnO, CdSe, CdS, WO3, Fe2O3, SnO2, dan Nb2O5. Namun TiO2 masih
menjadi material yang sering digunakan karena efisiensi DSSC
menggunakan TiO2 lebih tinggi dari yang lainnya.
4. Dye
4Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang
teradsorpsi pada permukaan TiO2. Dye yang umumnya digunakan dan
mencapai efisiensi paling tinggi yaitu jenis ruthenium complex.
DSSC menggunakan ruthenium complex telah mencapai efisiensi yang
cukup tinggi, namun dye jenis ini cukup sulit untuk disintesa dan
ruthenium complex komersil berharga sangat mahal. Alternatif lain
yaitu penggunaan dye dari tumbuhan khususnya dye antosianin.
Antosianin ini yang menyebabkan warna merah dan ungu pada tumbuhan.
Salah satu pigmen sianin yang memegang peranan penting dalam proses
absorbsi cahaya yaitu cyanidin 3-O--glucoside. Warna diberikan oleh
antosianin berkat susunan ikatan rangkap terkonjugasinya yang
panjang, sehingga mampu menyerap cahaya pada rentang cahaya tampak.
Sitem ikatan rangkap terkonjugasi ini juga yang mampu menjadikan
Antosianin sebagai antioksidan dengan mekanisme penangkapan
radikal.
Gambar 1. Susunan kimia bahan antosianin
5. ElektrolitElektrolit adalah zat yag terlarut atau terurai
kedalam bentuk ion-ion. Elektrolit dapat berupa senyawa larutan
asam, basa, garam dan air atau berupa senyawakimia lainnya. Pada
DSSC elektrolit dimanfaatkan karena kemampuan elektrolit
menghasilkan reaksi kopel redoks dan berfungsi sebagai regenarasi
muatan, transport muatan, mediator redoks dan transport ion. Untuk
menghasilkan reaksi kopel redoks (I-/I3), digunakan larutan
elektrolit khusus yaitu iodolyt. Elektrolit yang digunakan pada
DSSC terdiri dari iodin dan triiodidasebagai 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.6. Mempunyai reversibilitas tinggi dan inert
terhadap komponen lain.6. Katalis Counter Elektroda
5Untuk membantu meningkatkan transport elektron dan mempercepat
kinetika reaksi reduksi trioiodide, pada DSSC digunakan katalis
yang dicoating pada TCO sebagai counter elektroda. Platina
merupakan salah satu counter elektroda yang paling baik.
Dikarenakan harganya yang sangat mahal, elektroda karbon merupakan
alternatif lain untuk mereduksi triiodida.
2.4 Prinsip Kerja Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)Berbeda dengan
sel surya konvensional, Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan
sel surya berbasis fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit
sebagai medium transport muatan. Selain elektrolit, Dye Sensitized
Solar Cell (DSSC) terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari
nanopori TiO2, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan TiO2, dan
katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca konduktif,
seperti terlihat pada Gambar 2 berikut.
Gambar 2. Struktur Dye-Sensitized Solar Cell
6Pada bagian atas dan alas sel surya merupakan kaca yang sudah
dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide) umumnya SnO2, 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-
(iodida/tri-iodida). Pada permukaan elektroda dilapisi oleh
nanopori TiO2 dengan dye teradsorpsi pada pori-pori TiO2. Bahan dye
yang umumnya digunakan yaitu jenis ruthenium complex. Skema kerja
dari DSSC ditunjukkan pada Gambar 3 berikut ini.
Gambar 3. Skema kerja DSSCPada dasarnya prinsip kerja dari DSSC
merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama dimulai
dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat
absorbsi foton. Elektron tereksitasi dari ground state (D) ke
excited state (D*).D + e- D+ (1)Elektron dari excited state
kemudian langsung terinjeksi menuju conduction band (ECB) titania
sehingga molekul dye teroksidasi (D+). 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.2D+ + 3e- I3- + 2D (2)
7Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju
counter-elektroda melalui rangkaian eksternal. Dengan adanya
katalis pada counter-elektroda, elektron diterima oleh elektrolit
sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I3-), akibat donor
elektron pada proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron
membentuk iodida (I-). 2I3- + 2e- 3I- (3)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.Secara
lebih rinci, prinsip kerja dari DSSC pada gambar1 dijelaskan
sebagai berikut:1. Material semikonduktor ini ditempatkan pada plat
transparan berkonduktifitas membentuk lapisan tipis. 2. Kemudian
lapisan monolayer dye ditempatkan pada permukaan lapisan
nanokristalin semikonduktor. 3. Fotoeksitasi yang dialami oleh dye
menghasilkan elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita
konduksi dye (1) yang kemudian masuk ke pita konduksi dari logam
oksida (2), injeksi elaktron ini melaui hubungan antara titanium
dengan gugus karboksil pada zat warna. Proses ini menghasilkan dye
yang bermuatan positif dan partikel TiO2 yang bermuatan negatif.
Elektron tersebut selanjutnya keluar melalui sirkuit eksternal
menuju counter elektroda (3), aliran elektron ini dimanfaatkan
sebagai energi listrik. Kekosongan elektron pada pita valensi dye
digantikan oleh elektron yang berasal dari elektrolit, elektrolit
yang digunakan pada DSSC biasanya adalah pelarut organik yang
mengandung sistem redoks, contohnya adalah pasangan
iodida-triiodida. Regenerasi sensitiser oleh iodida terjadi dengan
proses pendonoran elektron pada pita valensi dari dye yang
teroksidasi (5). Iodida diregenerasi kembali dengan reduksi
triiodida pada counter elektroda, dengan memanfaatkan elektron yang
berasal dari eksternal sirkuit (4), proses ini berlangsung
terus-menerus sebagai suatu siklus sehingga dihasilkan arus yang
kontinyu.2.5 Hasil Penelitian Tentang Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)Adapun beberapa hasil penelitian terkait pengembangan sel
surya berbasis dye antara lain:1. 8Hardeli dkk dengan judul
penelitian Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) Berbasis Nanopori TiO2
Menggunakan Antosianin dari Berbagai Sumber Alami memperoleh hasil
bahwa hasil pada karakterisasi absorbsi cahaya UV-VIS diketahui
bahwa zat antosianin dapat menyerap spectrum cahaya pada panjang
gelombang sekitar 530 nm. Selain itu ketika sel surya disinari
dengan cahaya matahari, sel surya dapat mengkonversi energi surya
menjadi energi listrik. Tegangan, arus listrik dan efisiensi yang
dihasilkan oleh sel surya dengan zat warna antosianin untuk
masing-masing sumber zat warna adalah beras ketan hitam 937 mV, 468
A dan 0,405%, daun bayam 349,8 mV, 87 A dan 0,304%; bunga rosella
393,2 mV, 109 A dan 0,30%; buah naga 606 mV, 396 A dan 0,24% serta
ubi jalar ungu 521 mV, 75 A dan 0,11%.2. Vandri dkk dengan judul
penelitian 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 mengemukakan bahwa 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.3. Akhiruddin
Maddu & Irmansyah, dengan judul penelitian Penggunaan Ekstrak
Antosianin Kol Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2
Nanokristal Tersensitisasi Dye menyatakan hasil karakterisasi
arus-tegangan memperlihatkan kemampuan konversi energi cahaya
menjadi energi listrik. Kedua sel surya menghasilkan arus rangkaian
pendek (ISC) 5,6 A dan 7,2 A masing-masing untuk sel dengan
perendaman dye 1 dan 24 jam, dan tegangan rangkain buka (VOC) 500
mV dan 510 mV untuk masing-masing sel. Sedangkan fill factor (ff)
48 % sama untuk kedua sel, dan efisiensi konversi 0,023 % dan 0,055
%.
9
BAB III. KESIMPULAN
Dari uraian makalah ini, maka secara umum diambil beberapa
kesimpulan diantaranya:1. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
merupakan sel suryayang terbuat
darisemikonduktroryangdilapisiolehzat warna untuk meningkatkan
efisiensi konversi sinar matahari. 2. Dye Sensitized Solar Cell
(DSSC)bekerja pada daerah sinar tampak hingga sedikit infra merah.
Sinar tampak merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang
gelombang 390-770 nm, sedangkan infra merah sedikit lebih
panjang.3. Keuntungan dari Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)adalah
proses fabrikasinya lebih sederhana tanpa menggunakan peralatan
yang rumit dan mahal sehingga biaya fabrikasinya lebih murah. 4.
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)ditemukan oleh Michael Grtzel dan
Brian ORegan pada tahun 1991 yang biasa disebut sel Grtzel. Sel
pertama hanya dapat digunakan untuk spektrum ultraviolet dan biru
pada cahaya matahari..5. Efisiensi secara keseluruhan penemuan dan
penelitian Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) mampu mencapai 11%
dengan memanfaatkan titanium dioksida (TiO2). 6. Dye Sensitized
Solar Cell (DSSC) tersusun atas beberapa komponen diantaranya
substrat, Titanium Dioksida (TiO2), nanopori oksida semikonduktor,
dye, elektrolit dan katalis counter elektroda.7. 910Pada dasarnya
prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer elektron.
Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada
molekul dye akibat absorbsi foton dari ground state (D) ke excited
state (D*). Elektron dari excited state kemudian langsung
terinjeksi menuju conduction band (ECB) titania sehingga molekul
dye teroksidasi (D+). 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.
Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju counter
elektroda melalui rangkaian eksternal. Dengan adanya katalis pada
counter elektroda, elektron diterima oleh elektrolit sehingga hole
yang terbentuk pada elektrolit (I3-), akibat donor elektron pada
proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron membentuk iodida
(I-). 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.
11
DAFTAR PUSTAKA
Akhiruddin Maddu dkk. 2007. Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol
Merah sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal
Tersensitisasi Dye. Makara, Teknologi, Vol. 11, No. 2, November
2007: 78-84
Gerald Ensang Timuda dkk. 2010. Application of Nanocrystalline
TiO2 Particles Synthesized by Sonochemical Methods as Dye
Sensitized Solar Cell (DSSC). Jurnal Fisika - Himpunan Fisika
Indonesia ISSN 0854-3046 Volume 10 - No. 1 - Juni 2010.
Hardeli dkk. 2013. Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) Berbasis
Nanopori TiO2 Menggunakan Antosianin dari Berbagai Sumber Alami.
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
Pujiarti, Herlin. 2014. Kajian Karakteristk Fotovoltaik dan
Impedansi dari Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Gel
Elktrolit (Tesis). Bandung: Institut Teknologi Bandung.
Webri Vandri, Iskandar R. 2012. 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. Jurnal
TeknikA Vol. 19 No.2 Oktober 2012 ISSN: 0854-8471.
Yuliza, Elvi. 2012. Studi Pengembangan Sel Surya Dye Sensitized
Solar Cell yang Disispkan Tembaga (Cu/DSSC) Menggunakan Metoda
Electroplating (Tesis). Bandung: Institut Teknologi Bandung.
