BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 ABSTRAKdye sensitized solar cells (DSSCs) telah banyak menarik perhatian dalam beberapa tahun

terakhir karena fabrikasi yang murah dibandingkan dengan sel surya berbasis silikon dan film tipis. Meskipun, platinum adalah katalik yang sangat baik. Bahan yang digunakan dalam persiapan elektroda counter (CE) untuk DSSCs itu mahal. Alternatif untuk penggantian platinum (Pt) yang telah diperiksa adalah bahan karbon, polimer konduktif dan hibrida. Dalam karya ini, counter elektroda untuk DSSCs itu dibuat menggunakan bahan karbon yang diperoleh dari grafitisasi sukrosa pada suhu tinggi. Sebuah bubur karbon yang dihasilkan dari grafitisasi sukrosa dibuat dengan polivinilpirolidon (PVP) sebagai surfaktan dan lapisan diperoleh dari substrat kaca FTO. Kerapatan arus (JSC) dan tegangan rangkaian terbuka (VOC) sel fabrikasi (area 0,25 cm2

) adalah 10.28 mA cm-2 dan masing masing 0.76 V. Efisiensi sel adalah 4.33% yang hanya sedkit lebih rendah dari yang diperoleh untuk sel-sel yang serupa dengan menggunakan platinum berdasarkan counter elektroda.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA2.1 INTRODUCTION

Dalam beberapa tahun terakhir, dye sensitized solar cells (DSSCs) telah menarik banyak perhatian karena fabrikasi mereka yang sederhana dan rendah biaya produksi. DSSCs biasanya terdiri dari film bersturktur oksida nano berpori pada kaca TCO dengan molekul dye terabsorbsi sebagai anoda, elektrolit yang mengandung iodida/triiodida pasangan redox atau lubang konduktor yang cocok, dan kaCA platinized fluorine-doped oksida (FTO) sebagai counter elektroda [1-5]. Senyawa logam transisi (TMCs), bahan karbon, polimer konduktif dan hybrids yang telah digunakan sebagai alternatif untuk counter elektroda Pt di DSSCs [6-13]. Keuntungan menggunakan bentuk yang tepat dari karbon untuk counter elektroda adalah biaya yang lebih rendah dan lebih tinggi inertness kimia [14-20]. Dalam pekerjaan awal pada karbon menggunakan fungsional grafit dan daerah permukaan tinggi karbon hitam, efisiensi konversi daya (PCE) 6.67% diperoleh oleh Kay dan Grätzel [21]. Pekerjaan dilakukan dengan menggunakan karbon ukuran nano (carbon black) untuk mempersiapkan counter elektroda mengakibatkan PCE 9.1%[22]. PCE 4.5% diperoleh pada DSSCs menggunakan satu dinding carbon nanotube, saat menggunakan Multiwall carbon nanotube PCE 7.6% diamati dimana counter elektroda dipersiapkan dengan layar pencetak [23-24]. ]. Meskipun kinerja sel wajar dengan penggunaan nanotubes carbon salah satu keterbatasan yanbg dikenal dengan penggunaan bahab-bahan tersebut adhesi sedikit ke substrat. Nanotubes carbon tumbuh langsung ke substrat FTO menggunakan teknik deposisi uap kimia (CVD) menghasilkan PCE 10.04% [25]. Baru-baru ini, penggunaan mikrosfer karbon yang diperoleh melalui sintesis microwave-dibantu untuk counter elektroda dalam pewarna peka sel surya telah ditunjukkan [27]. Dalam karya ini, kami melaporkan fabrikasi counter elektroda menggunakan bahan karbon dihasilkan dari grafitisasi sukrosa.

BAB III. METODOLOGI EKSPERIMENT

3.1 Bahan

Sukrosa (Merck, Jerman), polivinil PVP (Sigma Aldrich, K-32) dan etanol (Changshu Yangyuan Kimia, Cin AR Grade) digunakan untuk persiapan karbon berdasarkan counter elektroda. Fluor didoping substrat timah oksida (FTO) kaca (TEC8,resistensi lembar 8-9 Ω , Pilkington), TiO2

nanopowder (P25,Degussa), Polyethylene glycol (Mw = 600) PEG-600 (Thomas Baker), RuL2 (NCS) 2 (L = asam 2,2-bipyridyl-4,4-dikarboksilat) (dikenal sebagai N3 dye) (Dyesol) digunakan untuk pembuatan sel. Untuk mempersiapkan elektrolit 1-Methyl-3-propylimidazolium iodida [PMII] (P98% Aldrich) (0.60 M), yodium (LR, Thomas Baker) [I2] (0,03 M), guanidinium tiosianat (0,10 M) dan 4-tertbutylpyridine (0.50 M) [TBP] (96% Aldrich) .

3.2 Sintesis dari bahan karbon dan fabriasi counter elektroda

Untuk pembuatan meja elektroda untuk DSSCs, karbon dihasilkan dari grafitisasi sukrosa pada suhu dibawah 1400C mengalir gas Argon. Karbon yang dihasilkan adalah serpihan di alam dan setiap serpihan terdiri dari partikel karbon ultrafine. Bubuk dihancurkan di alu mortar untuk membuat serbuk karbon .bubur karbon disiapkan dalam etanol menggunakan PVP sebagai surfaktan. PVP pertama ditambahkan ke etanoldan diaduk selama setengah jam untuk membuat larutan homogen. Setelah ini, karbon ditambahkan ke solusi PVP dan campuran ini dijaga pada penggilingan selama 48 jam untuk membuat bubur homogen dengan deagglomerated partikel karbon. Karbon untuk rasio berat PVP dipertahankan pada 8:1. Counter elektroda dibuat dengan melapisi bubur di substrat kaca FTO . Scotch tape (3M) digunakan untuk menutupi bagian dari substrat mengesampingkan daerah yang coating. Substrat dipanaskan pada tungku 450 C selama 1 jam yang dialiri gas argon untuk membakar bahan pengikat. sebagai perbandingan, meja elektroda karbon yang telah dibuat , platinum counter elektroda juga disiapkan.

3.3. Fabrikasi DSSC

Titania bubur digunakan untuk pembuatan photo anodes disiapkan oleh rol penggilingan TiO2 nanopowder, PEG 600 dan etanol selama 24 jam. Bubur kemudian dilapisi ke substrat FTO-kaca dibersihkan dan sintering dilakukan pada 450 C selama 1 jam. Kemudian dilapisi substrat yang dibiarkan dingin sampai 80 C dan dicelupkan ke dalam 0,3 solusi mM dari N3 pewarna dalam etanol. Setelah 24 jam, pewarna diberi titania substrat dibawa keluar dari larutan pewarna, dibilas dengan etanol dan dikeringkan. Sebuah spacer 25 mikron (SX1170-25 PF, Solaronix) digunakan untuk menjaga elektroda pada pemisahan konstan. Elektrolit digunakan untuk mempersiapkan sel dibuat dengan mencampur 1-Methyl-3-propylimidazolium iodida [PMII] (P98% Aldrich) (0.60 M), yodium (LR, Thomas Baker) [I2] (0,03 M), guanidinium tiosianat (0,10 M) dan 4-tert-butylpyridine (0.50 M) [TBP] (96% Aldrich) dalam campuran asetonitril dan valeronitril (volume Rasio: 85:15). Larutan diaduk dengan pengaduk magnetik untuk 30 menit. Spacer yang ditempatkan di sekitar lapisan titania dan dipanaskan untuk obligasi untuk substrat FTO. Elektrolit diisi di celah dengan spacer dan platinum atau karbon dilapisi FTO substrat (counter electrode) ditempatkan di atasnya dan perakitan itu yang dilakukan bersama oleh klip pengikat.

3.4. Karakterisasi

Karbon yang dihasilkan dari grafitisasi sukrosa pada 1400 C ditandai secara independen oleh FEG-SEM (JEOL, JSM-7600F), FEG-TEM (JEOL, JEM-2100F), BET (Smart Sorb 92/93, Smart Instrumen Co), DLS (Beckman Coulter, Delsa Nano C partikel analyzer), XRD (Expert Pro, 40 kV, 30 mA, PANalytical) dan Raman spektroskopi (Jobin-Yvon, Prancis Ramnor HG-2S Spectrometer). Voltametri siklik (CV) dari elektroda counter dilakukan pada tingkat scan 50

mV / s dari 0,6-1,2 V menggunakan tiga elektroda perakitan di mana karbon atau platina dilapisi FTO-kaca, kawat platinum dan Ag / AgCl menjabat sebagai elektroda, counter bekerja elektroda dan elektroda referensi masing-masing. Elektrolit terdiri dari 5 mM Lii, 0,5 mM yodium dan 0,1 M perklorat lithium dalam asetonitril. Resistivitas film karbon dan Film platinum diukur dengan menggunakan empat penyelidikan. Ketebalan film platinum diukur dengan profilometer (Dektak XT profilometer, Icon Analitik Peralatan Pvt. Ltd). Foto-arus-tegangan (I-V) karakteristik dirakit DSSCs diperoleh dengan menggunakan model Keithley ukuran 2.420 sumber Unit. Iradiasi sumber adalah 150 WX xenon lampu pada Simulator surya Newport dengan AM 1.5 G. Daerah aktif dari sel adalah 0,25 cm2.

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Luas permukaan, ukuran partikel dan morfologi karbon disintesis

Karbon yang digunakan untuk mempersiapkan elektroda counter diperoleh grafitisasi sukrosa pada suhu tinggi 1400C di bawah aliran argon. FEG-SEM karbon yang dihasilkan oleh sukrosa (Gbr. 1) menunjukkan serpihan seperti partikel di 100s kisaran mikrometer. Lebih tinggi pembesaran SEM mikrograf (Gambar. 1 (b)) menunjukkan bahwa individu serpihan yang terdiri dari banyak partikel halus 25 nm) ditunjukkan oleh TEM (Gbr. 2). FEG-TEM menegaskan bahwa baik partikel berat digumpalkan (Gbr. 2). Pola difraksi (Gbr. 2 (b)) menunjukkan sifat kristal partikel. Serpihan karbon yang diperoleh dari grafitisasi untuk mendapatkan bubuk yang memiliki luas permukaan spesifik dari 8 m2 / g. Dinamis Light Hamburan (DLS) pengukuran menunjukkan bahwa partikel Ukuran (d50) dari karbon dalam bubur siap sekitar 1,17 μm.

4.2 XRD dan Raman studi karbon

X-ray pola difraksi dari karbon yang dihasilkan dari sukrosa grafitisasi ditunjukkan pada Gambar. 3. Pola XRD menunjukkan dua puncak pada nilai 2θ dari 24,23°, 43,45° sesuai dengan (002) dan (103) pesawat masing-masing. Planar antar (d-spacing) dihitung dari Persamaan Bragg untuk karbon yang dihasilkan oleh sukrosa 2.35 Å [28] menunjukkan bahwa karbon memiliki struktur grafit turbostratik. Raman pengukuran spektroskopi dilakukan untuk karbon yang dihasilkan oleh sukrosa ditunjukkan pada Gambar. 4. Sebuah band yang menonjol (D band) terlihat di sekitar 1349 cm -1 yang merupakan indikasi dari struktur graphene teratur berasal dari mode getaran hibridisasi terkait dengan tepi graphene. Band lain yang menonjol terlihat di sekitar 1609 cm-1 (G band) yang timbul dari peregangan C-C obligasi dalam bahan graphitic, dan umum untuk semua sp2 hibridisasi sistem karbon [29]. ID / IG rasio karbon yang dihasilkan dari sukrosa ditemukan menjadi 1,09 mendukung pengamatan di atas alam kristal karbon. Ukuran LD kristal dari karbon yang dihasilkan diukur dengan menggunakan panjang gelombang rumus kuasa hukum [30]. Ukuran LD kristal ditemukan 15,42 nm.

Fig. 1. FEG-SEM micrographs (a) at low magnification and (b) at high magnification of carbon produced from graphitization of sucrose at 1400 _C.

Fig. 2. FEG-TEM micrographs (a) at high magnification and (b) diffraction pattern of carbon produced from graphitization of sucrose at 1400 _C.

Fig. 3. XRD pattern of carbon produced by sucrose graphitized at 1400 _C. Fig. 4. Raman spectrum of carbon produced by sucrose graphitized at 1400 _C.

4.3. Karbon dan platinum karakteristik film

FEG-SEM digunakan untuk mengkarakterisasi morfologi permukaan counter elektroda setelah dipanaskan pada 450C (1 h) (Gbr. 5). Film karbon tampaknya berpori dengan pori-pori homogen terdistribusi sepanjang film. Ketebalan film yang diukur dengan FEG-SEM ditemukan sekitar 1,4 μm (Gbr. 5 (a)). Berbeda dengan film karbon, film platinum seperti ditunjukkan pada

Gambar. 5 (c dan d) muncul padat di alam.ketebalan film platinum yang diukur oleh profilometer permukaan adalah sekitar 40 nm.

4.4 . Karakteristik elektrokimia karbon dan film platinum

Voltamogram siklik dari platinum dan karbon elektroda ditunjukkan pada Gambar. 6. Dua pasang puncak redoks diamati untuk kedua film. Puncak di sisi tegangan negatif ditugaskan untuk reaksi redoks (1) dan satu di sisi tegangan positif ditugaskan untuk redoks reaksi (2).

I 3−¿¿ + 2e−¿¿ = 3 I−¿¿ (1)

3 I 2+2e−¿¿ = 2 I3−¿¿ (2)

Reaksi redoks (1) berlangsung di elektroda counter dari DSSC dan sangat penting untuk operasi. Reaksi redoks (2) sebagai diamati pada voltamogram siklik karena pengurangan I2 molekul [31-32]. Hal ini dapat diamati bahwa sukrosa berasal karbon elektroda menunjukkan puncak redoks yang sama (anodik dan katodik) diamati dalam kasus Pt. Hal ini menunjukkan bahwa sukrosa berasal karbon efektif dalam mengkatalisis reduksi triiodida untuk iodida. Kerapatan arus yang lebih tinggi diamati pada karbon berdasarkan kontra elektroda dibandingkan dengan platinum. Ini karena ketersediaan jumlah yang lebih tinggi dari situs katalitik untuk reaksi redoks di karbon elektroda dari platinum. Seperti yang diamati dari gambar-SEM FEG (Gambar. 5), film karbon adalah sangat berpori dan karenanya dalam film karbon kepadatan lebih tinggi dari situs aktif harus tersedia dari pada film platinum. Kenaikan potensial terhadap reaksi redoks karbon elektroda mungkin disebabkan karena semakin tinggi resistensi listrik dari film karbon dari pada platinum elektroda. Diamati oleh empat pengukuran probe yang resistivitas film karbon adalah sekitar urutan besarnya lebih tinggi dengan 0,62 mΩ cm menjadi resistivitas film karbon dan 0.036 mΩ cm adalah bahwa dari film platina.

Fig. 5. FEM-SEM micrographs (a) side view of the carbon film, (b) upper surface of the carbon film and (c and d) upper surface of the sputtered platinum film.

Fig. 6. Cyclic voltammetry curves of carbon produced from graphitization ofsucrose and Pt counter electrodes at a scan rate of 10 mV s_1 from _1 to +1V in

10 mM LiI, 1 mM I2 and 0.1 M LiClO4 acetonitrile solution. Reference electrode:Ag/Ag+ in acetonitrile. Auxiliary electrode: Pt/FTO.

4.5 Karakteristik arus foto-tegangan dari DSSCs

Karakteristik J-V dari DSSCs menggunakan counter elektroda berdasarkan sukrosa karbon dan Pt counter elektroda masing-masing disajikan pada Gambar. 7, dan fotovoltaik yang sesuai danparameter kinerja elektrokimia sel dirangkum pada Tabel 1. Sel disusun dengan menggunakan sukrosa karbon sebagai counter elektroda ditampilkan VOC tegangan rangkaian dari 0,76 V, hubungan pendek kepadatan arus JSC 10,28 mA cm -2 , faktor pengisi (FF) 0,5 dan konversi efisiensi (η) masing-masing 4,33%. Sel disusun dengan menggunakan platinum sebagai counter elektroda ditampilkan rangkaian terbuka VOC tegangan 0,72 V, hubungan pendek kerapatan arus JSC 12,07 mA cm-2 , faktor pengisi (FF) 0,6 dan konversi efisiensi (η)masing-masing 5,82%. Faktor pengisi (FF) lebih rendah dan hubungan kerapatan arus pendek dalam sel berdasarkan karbon counter elektroda dibandingkan dengan Sel berdasarkan platinum . Meskipun aktivitas katalitik yang lebih tinggi diamati pada elektroda dibuat menggunakan karbon tetapi lebih tinggi potensi terhadap reaksi redoks dan faktor ketahanan film yang dominan dalam memutuskan kinerja counter elektroda.

Fig. 7. Photocurrent–voltage characteristics of the cells using carbon producedfrom graphitization of sucrose, and Pt counter electrodes.

Tabel 1

Photovoltaic and electrochemical parameters of DSSCs with different counter electrodes.

Counter electrode JSC Voc FF (%) η (%)Platinum 12.07 0.72 60 5.82Carbon 10.28 0.76 50 4.33

BAB V. KESIMPULAN

Bahan karbon yang dihasilkan dari grafitisasi sukrosa pada suhu tinggi yang mengalir argon memiliki grafit turbostratik struktur dan ukuran partikel sekitar 25 nm. Sukrosa karbon berasal digunakan untuk membuat meja elektroda untuk DSSCs. Counter elektroda disiapkan luas permukaan berpori untuk pengurangan spesies tri-iodida tetapi mengakibatkan kinerja sedikit lebih rendah dibandingkan dengan bahwa berdasarkan counter elektroda platinum. Sel dibuat menggunakan sukrosa counter berdasarkan karbon elektroda ditampilkan pada VOC tegangan rangkaian dari 0,76 V, hubungan pendek kerapatan arus JSC dari 10,28 mA cm-2, mengisi faktor (FF) dari 0,5 dan konversi efisiensi (η) masing-masing 4,33%.

BAB VI. DAFTAR PUSTAKA

[1] B. O’ Regan, M. Grätzel, Nature 353 (1991) 737–740.[2] H.J. Choi, J.E. Shin, G.-W. Lee, N.-G. Park, K. Kim, S.C. Hong, Curr. Appl. Phys. 10 (2010) 165–167.[3] H. Tributsch, Coord. Chem. Rev. 248 (2004) 1511–1530.[4] L.J. Brennan, M.T. Byrne, M. Bari, Y.K. Gun’ko, Adv. Energy Mater. 1 (2011) 472–485.[5] Y. Zhao, C. Burda, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 55–64.[6] Hengchao Sun, Likun Pan, Xianqing Piao, Zhuo Sun, J. Colloid Interf. Sci. 416 (2014) 81–85.[7] J. Walter, D. Mierzwi, Arch. Found. Eng. 10 (2010) 153–156.[8] G. Horányi, G.G. Láng, J. Colloid Interf. Sci. 296 (2006) 1–8.[9] A. Hagfeld, M. Grätzel, Chem. Rev. 1 (1995) 49–68.[10] M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson, R. Saykally, P. Yang, Nat. Mater. 4 (2005) 455–459.[11] J. Chang, J. Yang, P. Mab, D. Wu, Li. Tian, Z. Gao, K. Jiang, L. Yang, J. Colloid Interf. Sci. 394 (2013) 231–236.[12] E.M. Kaidashev, M. Lorenz, H. Von Wenckstern, Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3901–3903.[13] A. Hagfeldt, G. Boschloo, L. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Chem. Rev. 110 (2010) 6595–6663.[14] W. Sun, X. Sun, T. Peng, Y. Liua, H. Zhua, S. Guo, X. Zhao, Power Sources 201 (2012) 402–404.[15] Z. Li, M. Akhtar, J. HeeKuk, B.S. Kong, O. Yang, Mater. Lett. 86 (2012) 96–99.[16] Q.W. Jiang, G.R. Li, F. Wang, X.P. Gao, Electrochem. Commun. 12 (2010) 924– 927.[17] C.H. Tsai, C.H. Chen, Y.C. Hsiao, P.Y. Chuang, Org. Electron. 17 (2015) 57–65.[18] M. Chen, L.L. Shao, X. Qian, L. Liu, T.Z. Ren, Z.Y. Yuan, Chem. Eng. J. 256 (2014) 23–31.[19] W. Sun, T. Peng, Y. Liu, N. Huang, S. Guo, X. Zhao, Carbon 77 (2014) 18–24.[20] S. Yun, A. Hagfeldt, T. Ma, Adv. Mater. 26 (2014) 6210–6237.[21] A. Kay, M. Grätzel, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 44 (1996) 99–117.[22] T.N. Murakami, S. Ito, Q. Wang, M.K. Nazeeruddin, T. Bessho, I. Cesar, P. Liska, R. Humphry-Baker, P. Comte, P. Pechy, M. Grätzel, J. Electrochem. Soc. 153

(2006) A2255–A2261.[23] E. Ramasamy, W.J. Lee, D.Y. Lee, J.S. Song, Electrochem. Commun. 10 (2008) 1087–1089.[24] K. Suzuki, M. Yamaguchi, M. Kumagai, S. Yanagida, Chem. Lett. 32 (2003) 28– 32.[25] J.G. Nam, Y.J. Park, B.S. Kim, J.S. Lee, Scr. Mater. 62 (2010) 148–150.[26] J.D. Roy-Mayhew, D.J. Bozym, C. Punckt, I.A. Aksay, J. ACS Nano 4 (2010) 6203– 6211.[27] H. Sun, T. Chen, Y. Liu, X. Hou, Li. Zhang, G. Zhu, Z. Sun, L. Pan, J. Colloid Interf. Sci. 445 (2015) 326–329.[28] R. Narasimmana, K. Prabhakaran, Carbon 50 (2012) 1999–2009.[29] P.M. Ladeira, P. Puech, C. Toulouse, M. Cazayous, N.R. Ramond, P. Weisbecker, G.L. Vignoles, M. Monthioux, Carbon (2014) 629–639.[30] M.A. Pimenta, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, L.G. Cancado, A. Jorio, R. Saito, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 9 (2007) 1276–1291.[31] A.I. Popov, D.H. Geske, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1340–1352.[32] K. Imoto, K. Takahashi, T. Yamaguchi, T. Komur, J. Nakamura, K. Murata, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 79 (2003) 459–469.