sidang tugas akhir analisa pengaruh komposisi …

of 59 /59
SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI GRAPHENE-TiO 2 TERHADAP UNJUK KERJA DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC) OLEH: Indera Cahya Pradana (2711100053) DOSEN PEMBIMBING: Diah Susanti, S.T.,M.T.,Ph.D. LABORATORIUM KIMIA MATERIAL JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

Upload: others

Post on 20-Oct-2021

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

SIDANG TUGAS AKHIR

ANALISA PENGARUH KOMPOSISI GRAPHENE-TiO2 TERHADAP UNJUK KERJA DYE SENSITIZED SOLAR CELL

(DSSC)OLEH: Indera Cahya Pradana (2711100053)

DOSEN PEMBIMBING: Diah Susanti, S.T.,M.T.,Ph.D.

LABORATORIUM KIMIA MATERIAL

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

Page 2: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

• Rumusan Masalah

• Batasan Masalah

• Tujuan Penelitian

• Tinjauan Pustaka

• Penelitian Sebelumnya

• Alat- alat percobaan

• Bahan-bahan PercobaanPenelitian

Tinjauan PustakaPendahuluan Metodologi

• Hasil UV-Vis

• Hasil XRD

• Hasil SEM

• Hasil Keithley

Analisa Data dan

Pembahasan

Kesimpulan danSaran

Page 3: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

PENDAHULUAN

Page 4: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …
Page 5: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Faktanya....

“Saat ini, 89,5% pembangkit tenaga listrik di Indonesia menggunakan energi fosil.”

(Rohi, 2008).

Page 6: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …
Page 7: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …
Page 8: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Rumusan Masalah

• Bagaimana pengaruh komposisi material komposit Graphene-TiO2 sebagai material semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) terhadap unjuk kerja DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)?

• Bagaimanakah proses pembuatan prototype DSSC dalam skala laboratorium untuk mengkonversi secara maksimal energi cahaya matahari menjadi energi listrik?

Page 9: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Batasan Masalah• Serbuk TiO2 yang digunakan memiliki struktur kristal anatase.

• pH dan konstentrasi larutan dye ekstrak buah terung belanda adalah konstan.

• TiO2 dan Graphene yang dilapiskan pada kaca FTO menggunakan teknik spin coating.

• Temperatur holding pada proses kalsinasi adalah tetap.

• Pengotor serbuk diabaikan

• Ukuran serbuk Grafit, bahan sintesa Graphene dianggap sama

• Kecepatan stirring dari magnetic stirrer pada saat sintesis graphene dianggap konstan

Page 10: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Tujuan Penelitian

• Menghasilkan prototype DSSC yang dapat mengkonversi secara maksimal energi sinar matahari menjadi energi listrik dengan variasi komposisi material komposit Graphene-TiO2 sebagai material semikonduktor, dengan menggunakan larutan dye dari ekstrak bunga Geranium.

Page 11: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

DASAR TEORI

Page 12: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Grafit

Sifat Satuan Grafit

Massa jenis

Modulus elastisitas

Kekuatan

Resitivitas

Konduktivitas

termal

g cm-3

TPa

GPa

μΩ cm

W m-1 K-1

2.26

1

130

50

300

Tabel Sifat mekanik grafit (Sengupta dkk,

2011)

Struktur lapisan grafit yang menunjukkan hibridisasi sp2 atom karbonberikatan dalam cincin heksagonal (Sengupta dkk, 2011)

Page 13: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Grafit Oksida

Grafit oksida memilikistruktur seperti grafit,namun terdapat gugus-gugus fungsi.

Model struktur grafit oksida (Szabo dkk, 2006)

Page 14: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Graphene

Struktur graphene yang berbentukheksagonal, menyebabkangraphene memiliki sifat yang baikantara lain mobilitas muatan yangtinggi (230,000 cm2/V·s) dengan2.3% kemampuan penyerapancahaya, konduktivitas termal yangtingi (3000 W/m·K), kekuatan tariktertinggi (130 GPa), dan luaspermukaan terbesar (2600 m2/g)(Singh dkk, 2011).

Permukaan graphene (Mauricio dkk, 2010)

Page 15: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Sintesis Graphene

Beberapa metode sintesis grapheneyang umum antara lainmicromechanical dan chemicalexfoliation dari grafit, reduksi GO,epitaxial growth di atas SiC, danchemical vapor deposition (CVD) diatas logam transisi. Diantara prosessintesis tersebut, metode reduksi GOmerupakan metode yang disarankanuntuk produksi graphene secaramasal.

Page 16: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Oksidasi Grafit danReduksi grafit oksida

Page 17: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Metode Hydrothermal• Dalam penelitiannya, Zhou dkk (2009)

menyatakan bahwa dengan metodehydrothermal dehydration yang mudah,bersih, dan terkontrol dapat mengubahgraphene oksida menjadi larutangraphene yang stabil.

• Keunggulan proses hydrotermaldikemukakan oleh Jang-Hoon dkk (2008)yaitu proses sintesis mudah,pengontrolan bentuk dan ukuran serbuk,temperatur operasi yang rendah,homogenisasi tinggi, dan biayaoperasional rendah.

Page 18: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Klasifikasi Sel Surya

Page 19: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Dye-sensitized Solar Cell

Page 20: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Prinsip Kerja Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

• Eksitasi elektron padamolekul dye

• Elektron terinjeksi ke pitakonduksi ZnO sehinggamolekul dye teroksidasi

• Elektron yang telah dialirkanmelalui rangkaian eksternalkembali ke FTO yang dilapisicounter elektroda Pd/Au

• Reaksi reduksi membuat dyekembali ke ground state.Pada elektrolit terjadi reaksireduksi I3ˉ kembali ke Iˉ,sehingga mendonorkanelektron agar kembalitereksitasi

• Siklus transport elektron,terjadi konversi energi sinarmatahari ke energi listrik

Page 21: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Unjuk Kerja Sel Surya

FF: Fill Factor (%)η : Efisiensi (%) IPmax : Arus pada saat daya maksimum (mW)VPmax : Tegangan pada saat daya maksimum (mV)ISC : arus short

circuit

VOC : tegangan open circuitPIN :daya masukan (mW)PMAX :daya maksimal (mW)

Page 22: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Semikonduktor TiO2

Page 23: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Dye

Ekstrak dengan konsentrasi 13:50 antara bahan dye

dengan pelarut. pelarut sebanyak 50 ml yang meliputi 21ml ethanol, 4 ml asam asetat (CH3COOH), dan 25 mlaquades (Yuliarto dkk, 2010).Ekstrak dihaluskan. Setelah halus, masing-masingditambahkan 21 ml ethanol, 4 ml asam asetat(CH3COOH), dan 25 ml aquades lalu diaduk sampai rata.Kemudian diamkan selama 24 jam untuk mendapatkanhasil ekstraksi yang maksimal. Setelah didiamkan selama24 jam, lalu disaring dengan menggunakan kassa steriluntuk mendapatkan larutan dye-nya.

Page 24: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Elektrolit

• Berfungsi sebagai penghasil reaksi redoks dalam sistem photoelectrochemical. Elektrolit yang digunakan terdiri dari pasangan iodine (I-) dan triiodide (I3

-) sebagai redoks dalam pelarut.

Page 25: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Penelitian Sebelumnya Mengenai Kompositisasi Graphene- TiO2

• Tsai, dkk. (2011)

Dengan variasi komposisi 0; 0,01; 0,1; 1; 10%wt Graphene, Dye: Methyl Orange. Hasil: Efisiensi tertinggi pada 1% wt Graphene sebesar 6,86%

• Shu, dkk. (2013)

Dengan variasi komposisi 0; 0,10; 0,25; 0,25; 0,5; 0,75; 1%wt Graphene, Dye: N719. Hasil: Efisiensi tertinggi pada 0,75wt Graphene sebesar 5,5%

Page 26: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Penelitian Sebelumnya Sintesis Graphene

Page 27: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Penelitian Sebelumnya Mengenai DSSC

Page 28: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

METODOLOGI

Page 29: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Diagram Alir Sintesis Grafit Oksida

Page 30: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Diagram Alir Sintesis Graphene

Page 31: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Diagram Alir PreparasiDye DSSC

Page 32: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Diagram Alir Preparasi Fotoelektroda DSSC

Page 33: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Diagram Alir Perangkaian DSSC

Page 34: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Diagram Alir Pengujian

Page 35: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Page 36: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Spektrum Cahaya

Page 37: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

UV-Vis

Page 38: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Panjang Gelombang Absorbansi Spektrum

335 4.691 Ultraviolet

540 3.638 Hijau

Page 39: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Dye Puncak Kedua (Rentang Cahaya Tampak)

Wavelength (nm) Absorbance

Geranium (Geranium sylvaticum)

565 3,738

Bawang Merah(Allium ascalonicum)

520 0,602

Bunga Kayuputih(Melaleuca leucadendron)

395 3,966

Daun Pucuk Merah(Oleina Syzygium)

- -

Daun Sirih Merah(Piper crocatum)

655 0,37

Page 40: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Perbandingan Absorbansi

• Nafi (2013) dye ekstrak daging terung belanda (Solanum betaceum) absorbansi 3,720 pada wavelength 495 nm.

• Prasetya (2012) dye dari ekstrak daging terung belanda (Solanum betaceum) absorbansi 4,036 pada wavelength499 nm.

• Nadeak (2012) dye dari ekstrak buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) absorbansi 3,300 pada wavelength 538 nm.

Page 41: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

XRD Grafit, Grafit Oksida, Graphene

Sampel 2ϴ (o) FWHM d-spacing (Å)

Grafit 26,4866 0,1004 3,36527

Grafit Oksida 13,66 2,2059 7,4168

Graphene 25,6505 0,4015 3,47302

Page 42: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Analisa XRD

• Nilai dspacing untuk grafit oksida > dspacing grafit → → adagugus- gugus fungsi oksigen

• Nilai dspacing untuk grafit oksida > dspacing graphene → grafit oksida telah tereduksi menjadi graphene, pengelupasan lapisan grafit oksida menjadi single layer graphene

(Hae-Mi 2010)

Page 43: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

XRD DSSC

Page 44: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Grafit

GrapheneGrafit Oksida

Scanning Electron Microscope (SEM) Perbesaran 5000x

Page 45: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Citra Scanning Electron Microscope (SEM) DSSC TiO2 Perbesaran 5000x untuk:

a.0% wt graphene

b.5% wt graphene

c.10% wt graphene

d.15% wt graphene

Page 46: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

I-V Measurement

0% graphene 5% graphene

10% graphene

15% graphene

Page 47: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Sampel Isc (mA) Voc (mV) Pmax (mW) FF η (%)

0% 0,00148 220,314 4,21 x 10-4 0,36 0,00042

5% 0,00344 189,839 32,6 x 10-4 0,65 0,00326

10% 0,01305 595,198 52,3 x 10-4 0,69 0,00532

15% 0,00509 265,259 8,15 x 10-4 0,60 0,00082

Page 48: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

Tren Penambahan Graphene Terhadap Efisiensi DSSC

Page 49: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …
Page 50: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

KESIMPULAN

Page 51: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

• Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) berhasil difabrikasi menggunakanmaterial semikonduktor TiO2 yang dikompositkan dengangraphene dan dye dari ekstrak bunga geranium. DSSC dapatmengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrikdengan hasil paling maksimal pada variasi 10 wt% graphenedengan efisiensi 0,00532%, daya maksimal (P max ) 52,3 X 10-4 W;dan fill factor sebesar 0,69

• Variasi komposisi 10%wt graphene merupakan komposisi yangpaling optimal untuk menghasilkan performa DSSC yangmaksimal. Apabila penambahan dilakukan melebihi jumlahkomposisi tersebut, graphene akan menghalangi prosespenghantaran charge dan absorbsi dye sehingga menurunkanefisiensi DSSC.

Page 52: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

SARAN

Page 53: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

• Menggunakan pengujian BET untukmengetahui luas permukaan aktif elektrodakerja berbahan dasar komposit TiO2-graphene

Page 54: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

DAFTAR PUSTAKA

Page 55: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

• Fang, X., Li, M., Guo, K., Liu, X., Zhu, Y., Sebo, B., Zhao, X., 2014. Graphene-compositing optimization of the properties of dye-sensitized solar cells. Solar Energy, 101, pp.176-181.

• Foster, R., Ghassemi, M. & Cota, A., 2010. Solar Energy Renewable Energy and The Environment. Florida: CRC Press.

• Goetzberger, A. & Hoffman, V. U., 2005. Photovoltaic Solar Energy Generation. New York: Springer.

• Gong, S., Liu, B., 2012. Electronic structures and optical properties of TiO2: Improved density-functional-theory investigation. Chin. Phys. B, 21 (5), pp.1-7.

• Gratzel, M., 1998. Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. Journal of Chemical Education. 75 (6), pp.752-756.

• Handini, W., 2008. Performa Sel Surya Tersensitasi Zat Pewarna (DSSC) Berbasis ZnO dengan Variasi Tingkat Pengisian dan Besar Kristalit TiO2. Skripsi S1. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Universitas Indonesia.

• Kreider, J. F. & Kreith, F., 1978. Principles of Solar Engineering. Washington DC: Mc Graw Book Company.

• Maddu, A., Zuhri, M., Irmansyah, 2007. Penggunaan Ekstrak Antosianin Kol Merah Sebagai Fotosensitizer pada Sel Surya TiO2 Nanokristal Tersensitisasi Dye. Makara Teknologi. 11 (2), pp.78-84.

Page 56: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

• Nadeak, S., Susanti, D., 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. Tugas Akhir S1, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

• Nafi, M., Susanti, D., 2013. Aplikasi Semikonduktor ZnO dengan Variasi Temperatur dan Waktu Tahan Kalsinasi Sebagai Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) dengan Dye dari Ekstrak Buah Terung Belanda (Solanum betaceum). Tugas Akhir S1, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

• Omar, A. & Huda A., 2013. Electron Transport Analysis in Zinc Oxide-Based Dye-Sensitized Solar Cells: A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 31, pp.149-157.

• Phani G., Tulloch, G., Vittorio, D. & Skyrabin, I., 2001. Titania Solar Cell: New Photovoltaic Technology. Renewable Energy. 22, pp.303-309.

• Rahman, A., 2009. Pengaruh Tingkat Kekristalan TiO2 pada Tegangan Terbuka Sel Surya Tersensitisasi Pewarna Berbasis ZnO – TiO2. Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

• Septina, W., 2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye Sensitized Solar Cell). Laporan Akhir Penelitian Bidang Energi, Institut Teknologi Bandung.

• Subodro, R., Sunaryo, 2013. Ekstraksi pewarna bahan antosianin kulit Terong Ungu sebagai pewarna alami pada sel surya dye-sensitized Solar Cell (DSSC). Politeknosains, 9 (2), pp.74-83.

Page 57: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …

• Shu, W., Liu, Y., Peng, Z., Chen, K., Zhang, C., Chen, W., 2013. Synthesis and photovoltaic performance of reduced graphene oxide- TiO2 nanoparticles composites by solvothermal method. Journals of Alloys and Compounds, 563, pp.229-233.

• Tsai, T., Chiou, S., Chen, S., 2011. Enhancement of Dye-Sensitized Solar Cells by using Graphene- TiO2 Composites as Photoelectrochemical Working Electrode. International Journal of Electrochemical Science, 6, pp. 3333 - 3343.

• Tuominen, A., 2013. Defensive strategies in Geranium sylvaticum, Part 2: Roles of water-soluble tannins, flavonoids and phenolic acids against natural enemies. Phytochemistry,95, pp.408–420.

• Wongcharee, K., Meeyoo, V., Chavadej, S., 2007. Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from rosella and blue pea flowers. Solar Energy Materials and Solar Cells.91, pp.566-571.

• Young & Freedman, 2008. Sears and Zemansky’s University Physics Vol. 2. 13th ed.California: Pearson Education.

• Yuliarto, B., 2006. Energi Surya: Alternatif sumber energi masa depan Indonesia. Berita Iptek.

Page 58: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …
Page 59: SIDANG TUGAS AKHIR ANALISA PENGARUH KOMPOSISI …