Proposal Tesis Devita 02311750020001.docx

PROPOSAL TESIS

Metodologi Penelitian dan Proposal Tesis – TF142318

MODIFIKASI STRUKTUR SILICATE MICROSHEET HASIL EKSTRAKSI LUMPUR SIDOARJO UNTUK FOTOANODA PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC)

DEVITA RACHMAT NRP. 023117 500 20001 DOSEN PEMBIMBING Dr. -Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA ENERGI TERBARUKAN DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2018

LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL TESIS Judul Oleh NRP.

: Modifikasi Struktur Silicate Microsheet Hasil Ekstraksi Lumpur Sidoarjo untuk Fotoanoda pada Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) : Devita Rachmat : 023117 500 20001 Telah diseminarkan pada:

Hari Tanggal Tempat

: Senin : 04 Juni 2018 : R4 Gedung S2 Teknik Fisika

Mengetahui/menyetujui: Dosen Penguji:

Dosen Pembimbing:

1. Dr. -Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T. NIP. 19740903 199802 02 001

1. Prof. Dr. Ir. Sekartedjo, M.Sc. NIP. 19500402 197901 1 001

2. Gunawan Nugroho, S.T., M.T., PhD. NIP. 19771127 200212 1 002

i

(halaman ini sengaja dikosongkan)

ii

MODIFIKASI STRUKTUR SILICATE MICROSHEET HASIL EKSTRAKSI LUMPUR SIDOARJO UNTUK FOTOANODA PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC) Nama mahasiswa NRP Dosen pembimbing

: Devita Rachmat : 02311750020001 : Dr.-Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T.

ABSTRAK Lumpur Sidoarjo mempunyai kandungan mineral silika cukup besar yaitu sebesar 44,8 % dengan kemurnian 88,4-95,7 %. Silika hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo didapatkan dalam fasa amorf. Dengan mengubah struktur amorf menjadi kristal, silika hasil ekstraksi lumpur Lapindo lebih efektif sebagai material penghambur pada DSSC karena mempunyai band gap yang lebih kecil yaitu sebesar 5,48 – 6,30 eV dibandingkan dengan silika amorf 9,30 eV. Penelitian pada DSSC terus menerus dilakukan untuk meningkatkan efisiensinya. DSSC dengan menggunakan fotoanoda TiO2 diketahui mempunyai efisiensi yang masih rendah yaitu sebesar 6,51%. Penambahan partikel penghambur SiO2 dengan struktur kristalin pada fotoanoda TiO2 efektif dalam meningkatkan penyerapan cahaya dan menghambat rekombinasi elektron dibandingkan dengan partikel SiO2 pada fase amorf. Sedangkan penambahan nanopartikel emas (Au) yang merupakan salah satu logam mulia bisa meningkatkan pemanenan cahaya tampak dengan adanya efek plasmonik. Selain penambahan, modifikasi struktur fotoanoda juga menjadi cara yang efektif untuk meningkatkan efisiensi DSSC. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya, struktur silicate microsheet baik planar maupun curved juga dapat meningkatkan efisiensi DSSC akibat adanya efek hamburan sebesar 7,51 % untuk struktur planar microsheet dan 9,22 % untuk struktur curved microsheet. Penelitian ini akan dilakukan dengan memodifikasi fotoanoda TiO2 prekursor TiCl3 dan TiO2 P25 komersil menggunakan struktur Au@TiO2-SiO2 planar dan curved microsheet. SiO2 yang digunakan adalah SiO2 hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo pada fasa kristalin. Pewarna yang digunakan adalah ruthenium kompleks N-719. Pelapisan fotoanoda menggunakan metode doctor-blade. Karakterisasi yang dilakukan adalah XRD, UV-Vis, FT-IR spektroskopi, spektroskopi Raman, dan FESEM dilengkapi EDX, TEM. Pengujian performansi DSSC dilakukan melalui pengukuran arus dan tegangan menggunakan solar simulator. Hasil dari penelitian ini adalah struktur fotoanoda yang diharapkan dapat menghasilkan efisiensi DSSC lebih tinggi dibandingkan dengan penelitian sebelumnya. Peningkatan efisiensi diakibatkan oleh adanya efek hamburan dan efek refleksi yang lebih besar dari SiO2 pada fasa kristalin dan struktur silicate microsheet serta adanya efek plasmonik dari Au.

Kata kunci: DSSC, fotoanoda, kistalin SiO2, silicate microsheet, lumpur Sidoarjo

iii

(halaman ini sengaja dikosongkan)

iv

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ..................................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................................. iii DAFTAR ISI ............................................................................................................v BAB 1 PENDAHULUAN ......................................................................................1 1.1

Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2

Rumusan Masalah .................................................................................... 3

1.3

Tujuan ....................................................................................................... 3

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................5 2.1

Pengaruh Penambahan SiO2 Amorf dan Kristalin terhadap Performansi

DSSC 5 2.2

Morfologi Zat Aditif pada Fotoanoda .................................................... 11

2.3

Semikonduktor TiO2 sebagai Fotoanoda DSSC ..................................... 16

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN................................................................19 3.1

Alat dan Bahan ....................................................................................... 20

3.2

Sintesis Fotoanoda .................................................................................. 20

3.3

Perakitan DSSC ...................................................................................... 23

3.4

Karakterisasi ........................................................................................... 25

3.5

Pengujian DSSC ..................................................................................... 25

BAB IV JADWAL DAN LUARAN PENELITIAN .............................................27 4.1

Jadwal Penelitian .................................................................................... 27

4.2

Luaran Penelitian .................................................................................... 28

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................29

v

(halaman ini sengaja dikosongkan)

vi

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Ikatan atom dalam SiO2 (a) dengan struktur bentuk tetrahedral pada ikatan O-Si-O, (b) dengan variasi sudut ikatan antara Si-O-Si (Dobkin,2016) ...... 5 Gambar 2.2 Transmitansi dan reflektansi dari SiO2 amorf dan SiO2 kristalin (Tan, et al.,2005)............................................................................................................... 6 Gambar 2.3 Sel satuan dari SiO2 (a) α-quartz dan (b) amorf (Nekrashevich & Gritsenko, 2013) ...................................................................................................... 7 Gambar 2.4 Mekanisme penangkapan cahaya pada lapisan penghambur (Hore, et al.,2006)................................................................................................................... 9 Gambar 2.5 Skema hamburan cahaya (a) TiO2, (b) SiO2@TiO2 (Son, et al.,2013) ................................................................................................................................. 9 Gambar 2.6 Struktur kristal dari SiO2 (Wibawa, dkk., 2015) .............................. 10 Gambar 2.7 Pemodelan gugu fungsi silika pada (a) suhu ruang, (b) suhu 1000oC dan (c) suhu 1200oC (Mashudi & Munasir, 2015) ................................................ 10 Gambar 2.8 Ilustrasi sintesis fotoanoda core-shell SiO2@Au dan SiO2@Au@TiO2 (Jang, et al.,2013; Ye, et al.,2013) ........................................................................ 12 Gambar 2.9 Skema ilustrasi Localized Surface Plasmon Resonance (Willets & Duyne, 2007) ......................................................................................................... 13 Gambar 2.10 Skema penyerapan foton (a) tanpa mesopori SiO2, (b) dengan mesopori SiO2 (Tanvi et al., 2016)........................................................................ 14 Gambar 2.11 Skema jalannya cahaya pada struktur microsheet (a) curved silicate dan (b) planar silicate (Wang et al., 2015) ............................................................ 15 Gambar 2.12 Skema sel TiO2 anatase (a), rutile (b) dan brookite (c) (Zhang, dkk., 2014) ..................................................................................................................... 17 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ……………………………………………19 Gambar 3.2 (a) Au-SiO2 planar microsheet, (b) Au-SiO2 curved microsheet ...... 22 Gambar 3.3 Struktur Au@TiO2 core-shell dengan (a) SiO2 planar microsheet, dan (b) SiO2 curved microsheet ................................................................................... 23 Gambar 3.4 Pelapisan pasta fotoanoda pada kaca FTO dengan metode doctor-blade ............................................................................................................................... 25 Gambar 3.5 Kurva I - V dari sel surya ideal ......................................................... 26

vii

(halaman ini sengaja dikosongkan)

viii

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat-sifat umum dari SiO2 ...................................................................... 6 Tabel 2.2 Nilai energi gap pada SiO2 ...................................................................... 7 Tabel 2.3 Efisiensi DSSC dengan berbagai modifikasi struktur fotoanoda .......... 11 Tabel 2. 4 Perbandingan sifat TiO2 hasil sintesis dengan TiO2 P25 ................... 18

Tabel 3.1 Sampel berdasarkan variasi struktur fotoanoda pada DSSC ................. 24 Tabel 4.1 Jadwal penelitian………………………………………………………27

ix

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Lumpur Sidoarjo mempunyai kandungan mineral silika sebesar 44,8 %

(Mustopa & Risanti, 2013). Tingginya kandungan silika menjadikan lumpur Sidoarjo sebagai salah satu sumber silika bebas yang dapat diekstraksi dengan kemurnian 88,4-95,7 % pada pH 7 (Pribadi & Munasir, 2013). Silika hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo dalam fasa amorf ini telah banyak dimanfaatkan dalam penelitian sebelumnya. Pemanfaatan tersebut di antaranya sebagai inhibitor korosi (Adziimaa. dkk., 2013) dan material penghambur pada DSSC (Budiarti, dkk., 2017). Namun dalam fasa kristal, silika lumpur Sidoarjo belum dimanfaatkan karena kedua penelitian tersebut masih menunjukkan silika pada fasa amorf. Sedangkan diketahui bahwa silika dalam fasa kristal mempunyai band gap yang lebih kecil yaitu sebesar 5,48 – 6,30 eV (Cheliskowskey & Schlüter, 1977) dibandingkan dengan silika amorf 9,30 eV (Weinberg, et al.,1979). Dalam pengaplikasiannya sebagai material penghambur pada DSSC (Dyesensitized solar cells), silika mampu meningkatkan pemanenan cahaya dan mengurangi rekombinasi elektron (Tanvi, dkk., 2016). Penambahan partikel silika pada fotoanoda TiO2 akan memperpanjang jalur hamburan cahaya sehingga lebih banyak foton yang dapat diserap oleh lapisan pewarna pada DSSC (Son, dkk.,2013). Selain itu, silika akan memberikan lapisan penghalang pada elektron dari elektrolit sehingga dapat menekan rekombinasi dan meningkatkan efisiensi kerja dari DSSC (Xu, dkk., 2014). Seperti pada penelitian sebelumnya (Budiarti, dkk., 2017), penambahan SiO2 pada struktur core-shell fotoanoda TiO2@SiO2 akan meningkatkan adsorpsi pewarna sehingga akan meningkatkan fotosensitivitas DSSC terhadap radiasi matahari. Pengembangan DSSC untuk meningkatkan efisiensinya terus-menerus dilakukan mengingat sifatnya yang ramah lingkungan, proses fabrikasi yang ekonomis serta mudah (O’Regan & Grӓtzel, 1991). Modifikasi struktur lapisan penghambur cahaya pada fotoanoda telah banyak dilakukan sebagai upaya

1

2

peningkatan efisiensi DSSC. Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan berbagai modifikasi bentu dan struktur fotoanoda diantaranya bifacial TiO2/SiO2 porous anode (Ito, dkk., 2008), SiO2/TiO2 multilayer (Colodrero, dkk., 2009), TiO2 hollow spheres (Cho & Jung, 2011), mirror-like structures (Bai, dkk., 2012), SiO2@TiO2 core-shell (Son, dkk., 2013) dan microspheres (Guo, dkk., 2014). Sedangkan dari penelitian sebelumnya juga diketahui bahwa struktur microsheet pada fotoanoda akan meningkatkan kerapatan elektron pada pita konduksi TiO2 sehingga dapat meningkatkan efisiensi DSSC. Struktur microsheet baik planar maupun curved akan memberikan efek refleksi yang dapat meningkatkan intensitas cahaya yang menembus substrat kaca FTO serta meningkatkan intensitas penyerapan cahaya oleh molekul pewarna. Efisiensi yang dapat dicapai oleh struktur planar microsheet adalah 7,51 % dan 9,22 % untuk struktur curved microsheeet (Wang, dkk., 2015). Selain menambahkan partikel SiO2, modifikasi fotoanoda juga dilakukan dengan menambahkan nanopartikel logam mulia. Penambahan nanopartikel dari logam mulia seperti perak (Ag) dan emas (Au) mampu meningkatkan pemanenan energi cahaya tampak dengan efek plasmonik meningkatkan injeksi elektron dan mempercepat transfer elektron (Pandikumar, dkk., 2016). Komposit plasmonik dapat meningkatkan peneyerapan cahaya dan jalur optis fotoanoda secara efektif (Dong et al., 2014). Nanopartikel Au pada nanostruktur core-shell SiO2@Au@TiO2 memberikan efek localized surface plasma resonance, sehingga lebih banyak cahaya tampak yang diserap ketika dibandingkan tanpa penambahan nanopartikel Au (Ye, dkk., 2013). Pada penelitian ini akan dilakukan fabrikasi DSSC dengan menggunakan TiO2 sebagai fotoanoda dengan modifikasi penambahan struktur SiO2-TiO2 planar dan curved microsheet sebagai partikel penghambur serta Au@TiO2-SiO2 planar dan curved microsheet sebagai partikel plasmonik. TiO2 yang akan digunakan merupakan hasil sintesis dari prekursor TiCl3 dan Aeroxide TiO2 P25 SigmaAldrich. Sedangkan SiO2 berasal dari sintesis lumpur Sidoarjo dalam fasa kristal dan pewarna yang digunakan adalah pewarna N-719. Penambahan struktur silicate microsheet dan nanopartikel Au pada fotoanoda TiO2 diharapkan dapat meningkatkan efisiensi DSSC akibat dari adanya efek hamburan dan dan efek refleksi yang lebih besar dari struktur silicate microsheet, bentuk silika hasil

3

ekstraksi yang kurang beraturan dalam fasa kristal yang dapat mempercepat injeksi elektron pada pita konduksi TiO2 serta adanya efek plasmonik dari Au. 1.2

Rumusan Masalah Berdasarkan paparan latar belakang, maka dapat diambil rumusan masalah

yang akan dibahas dalam penelitian ini antara lain: 1. Bagaimana proses sintesis nanopartikel SiO2 fasa kristalin dari hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo sebagai material penghambur pada DSSC ? 2. Bagaimana proses sintesis dan pengaruh Au-SiO2 planar dan curved microsheet terhadap efisiensi DSSC ? 3. Bagaimana proses sintesis dan pengaruh Au@TiO2-SiO2 planar dan curved microsheet terhadap efisiensi DSSC? 1.3

Tujuan Berdasarkan beberapa rumusan masalah, tujuan yang ingin dicapai dari

penelitian ini antara lain: 1. Mendapatkan nanopartikel SiO2 fasa kristalin dari hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo sebagai material penghambur pada DSSC. 2. Mendapatkan struktur Au-SiO2 planar dan curved microsheet dan analisis pengaruhnya terhadap efisiensi DSSC. 3. Mendapatkan struktur Au@TiO2-SiO2 planar dan curved microsheet dan analisis pengaruhnya terhadap efisiensi DSSC.

4

(halaman ini sengaja dikosongkan)

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1

Pengaruh

Penambahan

SiO2

Amorf

dan

Kristalin

terhadap

Performansi DSSC Silika adalah nama sekelompok mineral yang mengandung silikon (Si) dan oksigen (O2) dalam kombinasi kimia dan memiliki rumus umum SiO2. Ikatan yang terbentuk antara silikon dan oksigen merupakan ikatan dengan struktur tetrahedral seperti pada Gambar 2.1 dengan sudut ikatan antara atom O-Si-O sebesar 109o dan jarak Si-O sebesar 0,16 nm. Sedangkan sudut ikatan antara atom Si dan O bervariasi antara 110o-160o berdasarkan energi ikatannya sehingga sangat memungkinkan terbentuknya struktur kristalin dalam bentuk yang berbeda-beda (kuarsa,tiridimit dan kristobalit) dan dapat dengan mudah membentuk struktur amorf (Dobkin, 2016). Secara umum sifat SiO2 murni dapat dilihat pada Tabel 2.1, namun antara SiO2 amorf dan kristalin ditemukan adanya perbedaan-perbedaan sifat listrik dan sifat optiknya (Tan, et al., 2005).

Gambar 2.1 Ikatan atom dalam SiO2 (a) dengan struktur bentuk tetrahedral pada ikatan O-Si-O, (b) dengan variasi sudut ikatan antara Si-O-Si (Dobkin,2016)

5

6

Tabel 2.1 Sifat-sifat umum dari SiO2 SiO2 amorf Sifat-Sifat Umum (Filipovic,1983)

SiO2 quartz (Toyoda & Yabe,1983)

Densitas

2,18 – 2,27 g/cm3

2.65 g/cm3

Konstanta dielektrik

3,70 – 3,90

4,27 – 4,34

Konduktivitas termal

1,1 - 1,4 W. cm-1.K-1

6,20 W. cm-1.K-1

Perbedaan sifat optik pada SiO2 kristalin dan SiO2 amorf di antaranya ditunjukkan oleh spektrum transmitansi dan reflektansinya. Dalam keadaan vakum diketahui bahwa pada tingkat energi yang sama yaitu antara 0,7 sampai dengan 8 eV transmitansi dari SiO2 kristalin lebih rendah dibandingkan dengan SiO2 amorf sedangkan reflektansinya lebih tinggi seperti pada Gambar 2.2 (Tan, et al.,2005). Tingginya reflektansi pada SiO2 kristalin merupakan akibat dari nilai indeks bias (n) lebih besar dibandingkan SiO2 amorf seperti pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Transmitansi dan reflektansi dari SiO2 amorf dan SiO2 kristalin (Tan, et al.,2005) Tingginya reflektansi sebanding dengan kemampuan SiO2 dalam menyerap cahaya atau besarnya nilai koefisien absorpsi (α).

7

Tabel 2.2 Nilai energi gap pada SiO2 Jenis Nilai energi gap (eV) SiO2 amorf

9,3 (Weinberg, et al.,1979)

α-quartz SiO2

6,3 (Cheliskowskey & Schlüter, 1977)

β-cristobalit SiO2

Fd3m (FCC)

5,48

I42c (BCT)

5,79

P213 (JC)

5,73

Perbedaan sifat listrik dari SiO2 kristalin dan SiO2 amorf ditunjukkan dengan adanya perbedaan nilai celah pita energinya. SiO2 amorf mempunyai nilai energi gap yang lebih tinggi dibandingkan dengan SiO2 amorf (Tan, et al., 2005) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.2. Pada devais DSSC perbedaan antara pita konduksi dan pita valensi akan mempengaruhi kecepatan gerak elektron dan akan mempengaruhi efisiensi konversi energi (Lee, et al., 2016). Selain itu, pada SiO2 amorf, nilai mobilitas hole dan eksiton lebih rendah dibandingkan dengn SiO2 kristalin. Hal ini terjadi karena pada SiO2 amorf atom-atom tersusun lebih tidak teratur (Itoh, et al., 1994) dengan jumlah enam ikatan cincin tertutup dari atom SiO sedangkan pada SiO2 amorf ikatan terjadi antara atom Si-O-Si sudut dihedral seperti pada Gambar 2.3 (Nekrashevich & Gritsenko, 2013).

Gambar 2.3 Sel satuan dari SiO2 (a) α-quartz dan (b) amorf (Nekrashevich & Gritsenko, 2013) Silika banyak ditemukan di berbagai sumber bebas di alam salah satunya pada lumpur Sidoarjo yang diketahui mempunyai kandungan silika sebesar 44,8 % (Mustopa & Risanti, 2013). Silika dari lumpur Sidoaro mempunyai struktur fasa amorf dengan kemurnian 88,4-95,7 % pada pH 7 (Pribadi & Munasir, 2013). Pemanfaatan silika hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo telah dilakukan pada penelitian sebelumnya (Budiarti, dkk., 2017) sebagai material penghambur pada fotoanoda

8

DSSC. SiO2 sebagai material penghambur dapat memberikan efek hamburan cahaya yang kuat dan dapat meningkatkan peyerapan cahaya oleh pewarna 3 kali lebih kuat dibandingkan tanpa adanya material penghambur (Wang, et al., 2013). SiO2 dipilih karena tidak hanya sebagai penghambur yang baik, tetapi juga dapat menjadi penghalang antara TiO2 dan elektrolit. Selain itu, SiO2 juga dapat meningkatkan pemanenan cahaya serta dapat menghambat rekombinasi tanpa mengurangi tingkat penyerapan pewarna pada film TiO2 sehingga dapat meningkatkan efisiensi DSSC sebesar 50% (Tanvi et al., 2016). 2.1.1 Efek Hamburan Efek hamburan pada devais DSSC didapatkan dengan menambahkan lapisan partikel penghambur pada fotoanoda. Partikel penghambur akan berperan dalam memperpanjang jalur penyerapan foton dengan meningkatkan reflektansi difus cahaya dan menurunkan tramitansinya (Hore, et al., 2006). Pada Gambar 2.4. terlihat bahwa tanpa lapisan penghambur pada fotoanoda lebih banyak cahaya yang hilang karena cahaya tidak dihamburkan. Peningkatan hamburan cahaya pada fotoanoda DSSC ini dapat meningkatkan jumlah foton yang dapat diserap sehingga akan menghasilkan kerapatan arus dan efisiensi yang lebih baik (Falahatdoost, et al., 2015).

9

Gambar 2.4 Mekanisme penangkapan cahaya pada lapisan penghambur (Hore, et al.,2006) Teori mie scattering menyatakan bahwa peristiwa hamburan cahaya dapat diperbesar dengan meningkatkan perbedaan indeks bias antara partikel penghambur dan media disekitarnya. SiO2 sebagai partikel penghambur mempunyai indeks bias 1,46 sedangkan indeks bias TiO2 fase anatase adalah 2,56. Sehingga dengan adanya perbedaan indeks bias yang besar ini akan memberikan efek hamburan cahaya yang kuat (Falahatdoost et al., 2015). Hal ini digambarkan pada Gambar 2.5 yang menunjukkan jalannya hamburan cahaya yang terjadi pada TiO2 (a) dan SiO2@TiO2 (b). Terlihat bahwa jalur hamburan cahaya pada SiO2@TiO2 lebih panjang dibandingkan hanya TiO2 saja (Son et al., 2013). Penambahan struktur SiO2@TiO2 sebagai lapisan penghambur juga diketahui dapat meningkatkan penyerapan cahaya oleh pewarna tiga kali lebih besar dibandingkan hanya TiO2 saja (Wang, et al., 2013).

Gambar 2.5 Skema hamburan cahaya (a) TiO2, (b) SiO2@TiO2 (Son, et al.,2013)

10

2.1.2 Pengaruh Suhu Kalsinasi pada SiO2 terhadap perubahan fasa kristalnya Salah

satu

pendekatan

fasa adalah kalsinasi

yang

digunakan

untuk

transformasi

yaitu pemanasan serbuk SiO2 pada temperatur

tinggi tetapi masih berada di bawa titik lelehnya sebesar 1700oC (Filipovic,1983). Proses kalsinasi didefinisikan sebagai pengerjaan mineral pada temperatur tinggi tetapi masih di bawah titik leleh tanpa disertai penambahan reagen dengan maksud untuk mengubah bentuk senyawa dalam konsentrat. Fasa quartz pada SiO2 terbentuk dari proses kalsinasi pada temperatur 800oC dan 1000oC dengan waktu penahanan 5 jam, Sedangkan fasa tridymite dan critobalite terbentuk dari kalsinasi silika amorf pada temperature 1000oC dan 1200oC dengan waktu penahanan yang sama dengan bentuk struktur seperti pada Gambar 2.6 (Wibawa, dkk., 2015).

Gambar 2.6 Struktur kristal dari SiO2 (Wibawa, dkk., 2015) Perubahan struktur pada SiO2 salah satunya disebabkan oleh penyerapan gugus OH atau molekul air yang semakin besar seiring dengan bertambahnya suhu kalsinasi (Mashudi & Munasir, 2015). Pada Gambar 2.7 pengurangan gugus O-H mengakibatkan struktur SiO2 semakin teratur atau mendekati cristobalite.

Gambar 2.7 Pemodelan gugu fungsi silika pada (a) suhu ruang, (b) suhu 1000oC dan (c) suhu 1200oC (Mashudi & Munasir, 2015)

11

2.2

Morfologi Zat Aditif pada Fotoanoda Dalam upaya meningkatkan efisiensi DSSC, diantaranya menggunakan

berbagai jenis nanopartikel, menambahkan dopan, membuat pewarna dan elektrolit baru serta menggunakan berbagai struktur seperti core-shell dan microsheet. Masing-masing perlakuan memiliki efek yang berbeda-beda yang dapat meningkatkan efisiensi DSSC. Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan berbagai modifikasi bentuk dan struktur fotoanoda diantaranya bifacial TiO2/SiO2 porous anode (Ito, et al., 2008), SiO2/TiO2 multilayer (Colodrero, et al., 2009), TiO2 hollow spheres (Cho & Jung, 2011), mirror-like structures (Bai, et al., 2012), SiO2@TiO2 core-shell (Son, et al., 2013) dan microspheres (Guo, et al., 2014) dengan beberapa nilai efisiensinya seperti yang tertera pada tabel 2.3. Tabel 2.3 Efisiensi DSSC dengan berbagai modifikasi struktur fotoanoda Efisiensi No Tahun Penelitian Struktur Fotoanoda DSSC 1. 2013 oleh Suim Son, TiO2 murni 6,51 % dkk. TiO2 – SiO2 6,8%

2.

2.2.1

2013 oleh Wei Liang Liu, dkk.

SiO2@TiO2 coreshell

7,3 %

TiO2-Au

7,28 %

Au@TiO2 coreshell

7,38 %

3.

2014 oleh Lihua Bai

Au@SiO2 coreshell

7,21 %

4.

2015 oleh Zubin Wang, dkk.

TiO2/SiO2 planar microsheet TiO2/SiO2 curved microsheet

7,51 % 9,22 %

Nanostruktur Core-Shell Dalam DSSC, molekul pewarna diserap oleh lapisan permukaan dari TiO2

sedangkan cahaya tampak akan diserap oleh molekul pewarna untuk menghasilkan elektron yang tereksitasi. Injeksi elektron dari pewarna ke pita konduksi dari TiO2 diikuti oleh regenerasi dari pewarna oleh pasangan redoks I-/I3-. Efisiensi DSSC dapat ditingkatkan dengan meminimalisir kemungkinan terjadinya rekombinasi elektron. Terdapat dua kemungkinan rekombinasi yang dapat terjadi, yaitu elektron

12

yang telah tereksitasi dengan molekul dye yang teroksidasi atau dengan pasangan redoks yang telah teroksidasi (Ganapathy, dkk., 2010). Pengimplementasian struktur core-shell dimana potensial pita konduksi dari shell memiliki nilai yang lebih negatif daripada core, akan membuat elektron tetap dapat terinjeksi sekaligus memberikan penghalang yang signifikan agar proses rekombinasi dapat dihambat (Knauf, dkk., 2015). Struktur core-shell ini memiliki dua kemunginan untuk formasinya, yaitu oksida logam sebagai core atau dapat juga oksida logam sebagai shell. Gambar 2.8 Menunjukkan tahapan pembentukan fotoanoda tiga lapis core shell SiO2@Au@TiO2.

Gambar 2.8 Ilustrasi sintesis fotoanoda core-shell SiO2@Au dan SiO2@Au@TiO2 (Jang, et al.,2013; Ye, et al.,2013) 2.2.1.1 Efek LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) LSPR

(Localized

Surface

Plasmon

Resonance)

terjadi

akibat

terperangkapnya gelombang cahaya di dalam nanopartikel konduktif yang memiliki ukuran lebih kecil dari pada panjang gelombang cahaya tersebut. Fenomena ini merupakan hasil dari interaksi antara cahaya masuk dengan elektron di dalam pita konduksi yang menghasilkan osilasi plasmon lokal yang koheren dengan frekuensi resonansi yang bergantung pada komposisi, ukuran, geometri, lingkungan dielektrik dan jarak permisahan partikel-partikel dari nanopartikel seperti yang terlihat pada Gambar 2.9. Material yang memiliki konstanta dielektrik negatif atau kecil positif di daerah imajiner memiliki Surface Plasmon Resonance (SPR). Resonansi ini

13

merupakan osilasi yang koheren dari elektron terkesitasi pada permukaaan pita konduksi oleh radiasi gelombang elektromagnetik. Sedangkan LSPR adalah plasmon yang berosilasi lokal disekitar nanopartikel dengan frekuensi tertentu.

Gambar 2.9 Skema ilustrasi Localized Surface Plasmon Resonance (Willets & Duyne, 2007) Sama dengan SPR, LSPR juga sensitif terhadap perubahan dielektrik dari lingkungan sekitar (Willets & Duyne, 2007).

Logam mulia seperti Au yang

berinteraksi dengan cahaya akan memungkinkan foton diserap dan sebagian akan dihamburkan (Willets et al, 2006). Pada DSSC dengan penambahan jenis material plasmonik yang berbeda akan mempunyai skema transfer elektron yang juga berbeda. Dimana hot electron dan hole yang dihasilkan dari eksitasi permukaan plasmon dapat diinjeksikan secara bersamaan ke dalam pita konduksi TiO2 dan solid state elektrolit dalam selang waktu femtosecond. Salah satu tipe pembawa hot charge, seperti pasangan electronhole tereksitasi dapat ditransfer dan akumulasi muatan yang berlawanan akan mendorong ke arah pergeseran fermi level pada titik dimana memungkinkan terjadi transfer secara termal ke pita konduksi TiO2 atau solid state elektrolit (Jang et al., 2014). 2.2.1.2 Efek Absorbansi Efek absorbansi cahaya akan mempengaruhi efisiensi pada DSSC dan dapat ditingkatkan dengan menambahkan molekul pewarna, partikel penghambur, material plasmonik serta struktur core-shell pada fotoanoda. Pewarna dalam DSSC berfungsi untuk menyerap cahaya atau foton. Pewarna ruthenium kompleks seperti

14

N3, N749 dan N719 dikethaui mempunyai stabilitas jangka panjang dan efisien dalam meningkatkan penyerapan foton (Theil et al., 2014). Selain pewarna fotonsensitizer, adanya material penghambur dapat meningkatkan penyerapan cahaya seperti pada Gambar 2.2 yang menunjukkan perbandingan penyerapan foton dengan dan tanpa SiO2. Peningkatan absorbansi dengan penggabungan SiO2 disebabkan peningkatan pemanenan cahaya karena adanya sifat hamburan cahaya. Hal ini menunjukkan bahwa SiO2 dapat dimanfaatkan sebagai partikel penghambur yang efisien dalam fabrikasi DSSC (Tanvi et al., 2016). Adanya partikel SiO2 sebagai penghambur juga dapat meningkatkan penyerapan cahaya oleh pewarna 3 kali lebih kuat dibandingkan tanpa adanya partikel penghambur (Wang et al., 2013). Sedangkan

material

plasmonik memiliki efek surface plasma resonance yang juga dapat meningkatkan penyerapan cahaya tampak. Fotoanoda dengan nanopartikel Au dapat menyerap cahaya tampak lebih kuat dibanding fotoanoda tanpa nanopartikel Au (Ye et al., 2013). Ketergantungan penyerapan cahaya dan kinerja DSSC pada posisi lapisan nanopartikel emas di lapisan TiO2 disebabkan oleh peningkatan plasmonik ketika nanopartikel emas berada pada lapisan TiO2 penyerapan maksimum menggunakan pewarna N719 pada panjang gelombang ~ 520 nm. Kinerja DSSC meningkat karena adanya lapisan nanopartikel emas dengan konsentrasi yang relatif rendah. Jsc (rapat arus) dan η efisiensi dari DSSC dengan penambahan lapisan nanopartikel emas pada lapisan TiO2 meningkat hingga 15 dan 11%, dibandingkan dengan DSSC tanpa lapisan nanopartikel emas.

Gambar 2.10

Skema penyerapan foton (a) tanpa mesopori SiO2, (b) dengan mesopori SiO2 (Tanvi et al., 2016)

15

2.2.2

Struktur Microsheet Modifikasi fotoanoda TiO2 dengan struktur microsheet diketahui dapat

dengan meningkatnya kerapatan elektron pada pita konduksi TiO2 yang dapat menghambat rekombinasi elektron. Struktur microsheet memiliki efek refleksi sehingga mampu meningkatkan intensitas cahaya yang menembus kaca FTO serta meningkatkan intensitas cahaya yang diserap molekul pewarna. Oleh karena itu struktur microsheet pada fotoanoda dapat digunakan sebagai alternatif untuk menaikkan nilai efisiensi DSSC (Wang, et al.,2015).

Gambar 2.11 Skema jalannya cahaya pada struktur microsheet (a) curved silicate dan (b) planar silicate (Wang et al., 2015) Bentuk silicate microsheet terdapat dua jenis yaitu planar dan curved yang menempel melingkar pada permukaan luar TiO2 seperti pada Gambar 2.7. Cahaya yang diserap oleh fotoanoda struktur microsheet akan mengalami peristiwa transmitansi dan refleksi. Pertama berkas cahaya akan menembus molekul pewarna dibawahnya kemudian dipantulkan dan bereaksi dengan pewarna tereksitasi didekat lapisan FTO. Pada Gambar 2.7 (a) terlihat bahwa bentuk struktur microsheet curved silicate mempunyai jalur reflektansi terhadap cahaya tampak yang lebih panjang. Dibandingkan dengan microsheet planar silicate pada Gambar 2.7 (b). Hal ini dibuktikan bahwa pada penelitian sebelumnya diketahui spektrum transmisi pada fotoanoda TiO2/curved silicate dapat meningkat 14% dibandingkan dengan TiO2 murni. Hal ini menunjukkan bahwa intensitas cahaya yang diserap oleh molekul pewarna lebih banyak akibat adanya efek refleksi dari microsheet curved silicate. Peningkatan

transmisi

pada

fotoanoda

dapat

diketahui

dengan

menggunakan digunakan persamaan Fresnel seperti pada persamaan (2.1) 𝑛 = √𝑛𝑜 𝑛𝑠

(2.1)

dimana 𝑛𝑜 adalah indeks bias elektrolit cair di udara dan nilainya adalah 1, 𝑛 adalah indeks bias silicate microsheet dan 𝑛𝑠 adalah indeks bias TiO2 anatase sebesar 2,55. (Z. Wang et al., 2015). Adapun persamaan dispersi optik TiO2 sesuai dengan

16

Persamaan (2.2), sedangkan persamaan dispersi optik SiO2 ditampilkan pada Persamaan (2.3). 𝑛𝑠2 = 5,913 + 𝑛2 = 1,286 +

0,2441 𝜆2 −0,803

1,0704𝜆2 𝜆2 −0,01

1,102𝜆2

+ 𝜆2 −100

(2.2) (2.3)

Dari Persamaan (2.3) diketahui bahwa indeks bias SiO2 yang paling sesuai adalah 1,59 dengan asumsi indeks bias elektrolit adalah 1. Apabila indeks bias SiO2 hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo pada fasa kristalin lebih tinggi dibandingkan dengan fasa amorf, maka TiO2/SiO2 microsheet pada fasa kristalin akan memiliki efisiensi yang lebih tinggi. 2.3

Semikonduktor TiO2 sebagai Fotoanoda DSSC Fotoanoda pada DSSC merupakan semikonduktor yang berasal dari oksida

logam yang berfungsi sebagai pengonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Ukuran partikel dari semikonduktor yang digunakan sebagai fotoanoda disarankan dalam orde nano karena dalam ukuran nano semikonduktor akan mempunyai luas permukaan partikel yang lebih lebar. Semakin lebar luas permukaannya maka semakin banyak jumlah pewarna yang dapat terserap sehingga akan menaikkan jumlah cahaya yang terabsorbsi dan membuat efisiensi DSSC meningkat. Oksida logam titanium dioksida (TiO2) merupakan nanopartikel mesopori yang dapat diaplikasikan sebagai fotoanoda pada DSSC karena memiliki pita konduksi yang berada sedikit di bawah level energi keadaan tereksitasi pewarna antosianin (Kay & Grätzel, 1996). Kondisi ini membuat semikonduktor TiO2 memiliki rekombinasi interfasial elektron yang lebih cepat dibandingkan dengan oksida logam lain seperti ZnO dan SnO2. Selain itu penggunaan TiO2 sebagai fotoanoda lebih banyak digunakan karena memiliki stabilitas kimia yang baik di bawah sinar cahaya tampak (Luque, dkk., 2003). Secara umum TiO2 mempunyai 3 struktur kristal, yaitu rutile, anatase dan brookite seperti pada Gambar 2.12. Fase anatase pada TiO2 diketahui memiliki kinera fotokatalitik yang lebih tinggi dibandingkan dengan fasa rutile dan brookite karena luas permukaannya lebih besar sehingga sisi aktifnya juga lebih besar (Yu,

17

dkk., 2009). Selain itu TiO2 pada fase anatase mempunyai massa efektif pembawa muatan (m*) yang lebih ringan, ukuran partikel yang lebih kecil dan masa eksitasi elektron dan hole yang lebih lama dibandingkan TiO2 pada fase rutile dan brookite (Zhang, dkk., 2014. Sedangkan fasa brookite merupakan fasa yang paling tidak stabil (Narayan, 2011). TiO2 pada fasa anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm, fasa brookite pada ukuran partikel 11 – 35 nm, dan fasa rutile di atas 35 nm (Zhang, dkk., 2000).

Gambar 2.12 Skema sel TiO2 anatase (a), rutile (b) dan brookite (c) (Zhang, dkk., 2014) TiO2 anatase mempunyai konstanta dielektrik (ℰ) tinggi yaitu sebesar 80. Hal ini menyebabkan TiO2 anatase mampu menjadi pelindung listrik yang baik dari elektron yang terinjeksi oleh molekul pewarna teroksidasi yang menempel pada permukaan TiO2. Sehingga dapat mencegah rekombinasi sebelum reduksi pewarna oleh elektrolit. TiO2 anatase juga memiliki indeks bias yang tinggi yaitu n = 2,5 sehingga dapat mengahasilkan hamburan cahaya yang efisien dalam fotoelektroda dan akan meningkatkan penyerapan cahaya (Kay & Grätzel, 1996). Sedangkan energi pita celah dari TiO2 anatase lebih tinggi dibandingkan rutile yaitu sebesar 3,2 eV dan setara dengan energi cahaya pada panjang gelombang 388 nm (Kalyanasundaram &Grätzel, 1998).

18

2.3.1 Sifat TiO2 Prekursor TiCl3 dan TiO2 P25 Jenis TiO2 yang digunakan untuk membuat fotoanoda akan mempengaruhi efisiesnsi DSSC yang dihasilkan karena dengan jenis yang berbeda maka akan memiliki beberapa sifat yang berbeda. Perbedaan sifat antara jenis TiO2 P25 dan TiO2 hasil sintesis diantaranya TiO2 P25 memiliki ukuran kristal yang lebih besar, pita energi celah yang lebih kecil dibandingkan dengan TiO2 hasil sintesis seperti yang tertera pada Tabel 2.4. Unsur Titania (Ti) yang terkandung di dalam TiO2 hasil sintesis dikteahui 10% lebih rendah dibandingkan sampel komersial. Adanya unsur Ti berlebih membuat TiO2 hasil sintesis lebih reaktif. Tabel 2.4 Perbandingan sifat TiO2 hasil sintesis dengan TiO2 P25 (Amir,2016) Komposisi fasa

Jenis

TiO2

Anatase 100%

Ukuran Kristal

Rutile Brookite 21.9

Energi band gap (eV) 3.20

Persentase berat komponen (%) Ti O 37.17 62.8

hasil

3

sintesis TiO2 P25

.

99.9%

0.1%

-

23.2

3.18

23.29

76.7 1

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Keseluruhan tahapan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.1 dibawah ini.

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian

19

20

3.1

Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain labu elemeyer,

gelas beker, gelas ukur, pipet tetes, mortar, magnetic stirrer, oven, furnace, pH meter, timbangan digital. Bahan yang digunakan untuk mengekstrak SiO 2 antara lain, lumpur Sidoarjo, HCl, NaOH, NH4OH, etanol dan aquades. Bahan yang digunakan untuk mensintesis Au-SiO2 yaitu SiO2 hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo dan SiO2 komersil, (3-Aminoprophyl) trimethoxysilane, etanol, HAuCl4.3H2O, trisodium sitrat serta deionized water. Bahan kimia yang digunakan untuk sintesis Au@TiO2 adalah koloid emas (500ml, 5x10-4M) HAuCl4.4H2O, trinatrium sitrat, asam mercaptoundecanoic, ammonia, HCl, titanium (IV) isopropoxide (TTIP) dan trietanolamin (TEOA). Bahan kimia yang digunakan untuk sintesis Au@TiO2-SiO2 antara lain Au@TiO2, SiO2 hasil ekstraksi lumpur sidorjo dan SiO2 komersil, HCL serta EtOH. Bahan kimia yang digunakan untuk pembuatan pewarna adalah ruthenium N-719 industry standard dye dan etanol. Sedangkan bahan kimia yang digunakan untuk pembuatan elektrolit antara lain, kalium iodide (KI), iodide (I), PEG 4000, chloroform dan acetonitrile. Bahan kimia yang digunakan untuk pembuatan pasta DSSC yaitu aquades, CH3COOH dan Triton X-100. Bahan yang digunakan untuk fabrikasi DSSC antara lain kaca Fluorine-doped Tin Oxide (FTO) dan kaca FTO Pt-coated.

3.2

Sintesis Fotoanoda

3.2.1 Sintesis Nanopartikel TiO2 Nanopartikel TiO2 disintesis dari prekusor TiCl3 dengan metode kopresipitasi. 10 ml TiCl3, 4,7 ml aquades, dan 0,3 ml HCl diaduk selama 3 menit dengan suhu 45oC. Setelah itu, 20 ml HCl 37% ditambahkan kedalam larutan tersebut. Setelah beberapa saat, larutan akan berubah warna menjadi ungu tua kemudian 50 ml NH4OH 25% ditambahkan kedalam larutan sambil diaduk hingga larutan berwana ungu kehitaman. Selanjutnya 50 ml larutan amonia ditambahkan hingga larutan berwarna putih terbentuk. Suspensi yang mengandung endapan putih dicuci dengan menggunakan aquades hingga suspensi tidak berbau amonia. Selanjutnya untuk mendapatkan TiO2 fasa anatase maka endapan putih dikalsinasi

21

pada suhu 400oC selama 5 jam (Castro et al., 2008).

3.2.2

Sintesis SiO2 dari Ekstraksi Lumpur Sidoarjo Lumpur

Sidoarjo

dicuci

dengan

menggunakan

aquades

untuk

menghilangkan pengotor-pengotornya. Kemudian lumpur dikeringkan, setelah itu lumpur digerus dengan mortar untuk memudahkan proses ekstraksi silika. Lumpur yang telah digerus kemudian ditimbang sebanyak 8 gram dan dicuci menggunakan HCl 2M selama 4 jam. Kemudian direaksikan dengan NaOH 7M dan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama kurang lebih 1 jam pada suhu 80oC dengan kecepatan 2 mod untuk mendapatkan larutan filtrat hasil saringan. Larutan lumpur disaring menggunakan kertas saring. Larutan hasil saringan dititrasi dengal HCl 3M dengan diputar menggunakan magnetic stirrer pada suhu 40oC dengan kecepatan 2 mod hingga didapatkan pH 7 dan terbentuk endapan putih silika. Endapan silika yang dihasilkan disaring menggunakan kertas saring. Endapan tersebut dicuci dengan aquades untuk menghilangkan kandungan asam, basa maupun garam di dalamnya. Endapan yang sudah dicuci kemudian disaring dan dikeringkan dalam oven suhu 100oC selama 2 jam. Selanjutnya kristalinasi dari SiO2 dilakukan dengan kalsinasi sampel pada suhu 1000oC selama 5 jam (Wibawa, dkk., 2015).

3.2.3

Reduksi Nanopartikel Au Koloid emas (500ml, 5x10-4M) HAuCl4.4H2O dan trinatrium sitrat

digunakan sebagai bahan awal dan pereduksi. Asam mercaptoundecanoic (MUA=1mM) dilarutkan ke dalam 2,5% larutan amonia. Larutan MUA kemudian ditambahkan ke dalam koloid emas dan diinkubasi selama 2 jam. Selanjutnya ditambahkan 1M HCl tetes demi tetes sampai pH sama dengan 3. Emas yang dihasilkan dicuci menggunakan air dengan sentrifugasi 3800 rpm (Kwon et al., 2007).

3.2.4

Sintesis Au-SiO2 microsheet Sintesis Au-SiO2 dilakukan dengan metode kopresipitasi. Sebelum sintesis,

larutan APTMS (1mM) dipersiapkan, dimana 18,3 µl APTMS ditambahkan pada gelas ukur 100 ml dan tambahkan DI-water hingga penuh, dan dapat langsung 21

22

digunakan. Sintesis Au-SiO2, masukkan 30 ml larutan Au ke dalam gelas beker, tambahkan 0,4 larutan APTMS (1mM) dan diaduk selama 15 menit. Kemudian ditambahkan 150 ml larutan hasil ekstraksi SiO2 dari lumpur Sidoarjo. Kemudian terus diaduk sampai terbentuk endapan putih. Endapan tersebut dipisahkan dengan kertas saring, lalu dicuci dengan aquades untuk menghilangkan kadar asam, basa, dan garam. Kemudian dikeringkan pada temperatur 80°C selama 24 jam. Untuk SiO2 komersil, larutan SiO2 didapatkan dengan cara mencampurkan 0,5 gram serbuk SiO2 dengan 0,7 ml aquades, 2 ml amoniak dan 39,5 ml etanol. Campuran ini diaduk selama 1 jam menggunakan magnetic stirrer hingga didapatkan larutan SiO2.

Gambar 3.2 (a) Au-SiO2 planar microsheet, (b) Au-SiO2 curved microsheet

3.2.5 Sintesis Au@TiO2 core-shell Koloid emas (500ml, 5x10-4M) HAuCl4.4H2O dan trinatrium sitrat digunakan sebagai bahan awal dan pereduksi. Asam mercaptoundecanoic (MUA=1mM) dilarutkan ke dalam 2,5% larutan amonia. Larutan MUA kemudian ditambahkan ke dalam koloid emas dan diinkubasi selama 2 jam. Selanjutnya ditambahkan 1M HCl tetes demi tetes sampai pH sama dengan 3. Emas yang dihasilkan dicuci menggunakan air dengan sentrifugasi 3800 rpm. Partikel emas dicampurkan ke dalam 20ml air dan 20 mL larutan amonia. Untuk mendapatkan larutan Ti4+ yaitu dengan mencampur titanium (IV) isopropoxide (TTIP) dengan trietanolamin (TEOA) di bawah atmosfer nitrogen pada rasio molar TEOA / TTIP = 2/1. Senyawa Ti4+ diletakan di suhu kamar dengan menambahkan TEOA. Kemudian ditambahkan air untuk membuat larutan Ti4+ 0.50M. Sebelum digunakan larutan tersebut disaring melalui membran PTFE dengan ukuran pori 0,2µm. Kemudian ditambahkan koloid MUA-Au ke dalam larutan Ti4+ dengan fraksi yang

23

ditentukan Au:TiO2 adalah 3.0:97.0 dan 5.0:95.0 Larutan yang disimpan selama 24 jam pada 80oC (Kwon et al., 2007). 3.2.6

Sintesis Au@TiO2-SiO2 microsheet Struktur core-shell Au@TiO2-SiO2 microsheet dari ekstraksi lumpur

Sidoarjo

disintesis

dengan

memodifikasi

metode

kopresipitasi

dengan

menambahkan nanopartikel Au@TiO2. Sebelum dilakukan titrasi HCl, 0,5 gram Au@TiO2 didispersikan ke dalam 30 ml EtOH, lalu ditambahkan dengan 150 ml larutan SiO2 hasil ekstraksi. Selanjutnya dititrasi dengan HCl hingga pH larutan mencapai 7. Kemudian terus diaduk sampai terbentuk larutan berwarna putih. Setelah itu larutan diendapkan. Endapan tersebut dipisahkan dengan kertas saring, lalu dicuci dengan aquades untuk menghilangkan kadar asam, basa, dan garam. Kemudian dikeringkan pada temperatur 80°C selama 24 jam.

Gambar 3.3 Struktur Au@TiO2 core-shell dengan (a) SiO2 planar microsheet, dan (b) SiO2 curved microsheet

3.3

Perakitan DSSC

3.3.1

Pembuatan Pewarna Pewarna yang digunakan dalam penelitian ini adalah pewarna industry

standar, ruthenium kompleks N-719 dengan warna merah bata. Pewarna yang digunakan adalah 0,3 mM larutan C58H86N8O8RuS2.

3.3.2

Pembuatan Elektrolit Elektrolit yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasangan

iodide/triiodide. Kalium iodide (KI) sebanyak 0,8 gram dilarutkan dalam 10 ml acetonitrile hingga larut seluruhnya. Kemudian 0,127 gram iodide ditambahkan

23

24

kedalam larutan elektrolit dengan terus diaduk hingga iodide larut seluruhnya. PEG 4000 sebanyak 7 gram dilarutkan dalam 25 ml chloroform hingga larut dan membentuk gel. Kemudian larutan elektrolit dicampur dengan gel tersebut dan diaduk dengan magnetic stirrer selama 1 jam pada suhu 80oC.

3.3.3 Fabrikasi DSSC Dalam penelitian ini, fotoanoda dasar yang digunakan adalah TiO2 fase anatase dengan prekursor TiCl3 dan TiO2 P25. SiO2 yang digunakan adalah hasil ekstraksi lumpur Sidoarjo dengan struktur kristalin. Selain itu juga divariasikan jenis microsheet yaitu planar dan curved. Sampel yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Sampel berdasarkan variasi struktur fotoanoda pada DSSC No.

Fotoanoda Dasar

Modifikasi Fotoanoda Au – SiO2 planar microsheet

1. 2.

Nanopartikel TiO2 prekursor

Au – SiO2 curved microsheet

3.

TiCl3

Au@TiO2 – SiO2 planar microsheet

4.

Au@TiO2 – SiO2 curved microsheet

5.

Au-SiO2 terbaik

6. 7. 8.

Nanopartikel

TiO2

Degussa Komersil

P25

Au@TiO2-SiO2 terbaik Au-SiO2 dengan diameter terbaik Au@TiO2 diameter terbaik

Sebelum dilakukan pelapisan fotoanoda ke kaca FTO, sampel terlebih dahulu dibuat pasta. Serbuk partikel sebanyak 0,25 gram yang telah dihaluskan dilarutkan dengan 87,5 µL aquades 125 µL CH3COOH dan 125 µL Triton X-100 (sekitar 1 tetes pipet). Substrat kaca FTO (12 Ω square-1) dengan ukuran 2 x 2 cm2 dicuci dengan deionized water dan anhydrous ethanol kemudian dikeringkan dengan uap gas N2. Pelapisan pasta fotoanoda pada substrat kaca FTO yang telah dibersihkan menggunakan metode doctor-blade seperti pada Gambar 3.4 Pasta diteteskan ke kaca FTO dan diratakkan menggunakan spatula kaca. Luasan aktif

25

fotoanoda adalah 0,5x0,5 cm2. Kaca FTO yang telah dilapisi pasta dan telah mengering dipanaskan pada suhu 225oC selama 2 menit menggunakan hot plate. Kemudian kaca FTO direndam dalam larutan pewarna selama 12 jam. Selanjutnya dilakukan penyusunan komponen-komponen DSSC dengan struktur sandwich, terdiri dari kaca FTO yang dilapisi fotoanoda dan telah direndam dalam larutan pewarna, larutan elektrolit dan kaca FTO yang dilapisi platina yang bertindak sebahgai elektroda lawan. Selanjutnya susunan DSSC ini direkatkan menggunakan penjepit.

Gambar 3.4 Pelapisan pasta fotoanoda pada kaca FTO dengan metode doctor-blade

3.4

Karakterisasi Struktur kristal serbuk fotoanoda dikarakterisasi menggunakan X-ray

diffraction

(XRD).

Permukaan

antarmuka

dari

sampel

dikarakterisasi

menggunakan spektroskopi FTIR. Berdasarkan hasil karakterisasi FTIR dan Raman dapat diperkirakan terbentuknya struktur core-shell dengan mengetahui ikatan antar atom yang terbentuk pada masing-masing sampel. Namun demikian, untuk memastikan morfologi dan struktur core-shell maka sampel dikarakterisasi menggunakan field-emmision microscope (FE-SEM) dan transmission electron microscopy (TEM). Absorbsi serbuk fotoanoda pada cahaya tampak (350 nm – 800 nm) dikarakterisasi menggunakan Spektrometer UV-Vis. 3.5

Pengujian DSSC Pengujian unjuk kerja DSSC dilakukan dengan pengukuran arus dan

tegangan menggunakan solar simulator. Berdasarkan hasil pengukuran akan

25

26

didapatkan kurva I-V seperti pada Gambar 3.5 yang merupakan kurva I–V dari sel surya ideal.

Gambar 3.5 Kurva I - V dari sel surya ideal

VOC adalah tegangan open circuit, ISC adalah arus short circuit, sedangkan MPP adalah maximum power point atau daya maksimum yang terdiri dari VMPP (tegangan dari daya maksimum) dan IMPP (arus dari daya maksimum). Nilai fill factor (FF) digunakan untuk menghitung nilai efisiensi DSSC. FF dihitung dengan Persamaan (3.1). 𝐹𝐹 =

𝑉𝑀𝑃𝑃 .𝐼𝑀𝑃𝑃 𝑉𝑂𝐶 .𝐼𝑆𝐶

(3.1)

Semakin besar nilai daya maksimum dan semakin tajam siku kurva I-V maka nilai FF akan semakin besar. Dengan menggunakan FF maka maksimum daya dari DSSC dapat dihitung dengan Persamaan (3.2). 𝑃𝑀𝐴𝑋 = 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 𝐹𝐹

(3.2)

Sedangkan efisiensi DSSC dalam mengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik dapat dihitung dengan Persamaan (3.3). 𝜂=𝑃

𝑃𝑀𝐴𝑋 𝑀𝐴𝑇𝐴𝐻𝐴𝑅𝐼

(3.3)

Nilai PMATAHARI diperoleh dari pengukuran iradiasi matahari yang diukur menggunakan piranometer dan kemudian dijadikan masukan dalam simulasi menggunakan solar simulator.

27

BAB IV JADWAL DAN LUARAN PENELITIAN

4.1

Jadwal Penelitian Penelitian ini akan dilakukan selama 6 bulan dengan rincian seperti pada

tabel dibawah ini. Tabel 4.1 Jadwal penelitian Bulan 1 Bulan 2 Bulan 3 Bulan 4 Bulan 5 Bulan 6 No Kegiatan 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1. Studi Literatur 2. Persiapan 3. Kristalisasi SiO2 4. Sintesis AuSiO2 microsheet 5. Karakterisasi 6. Sintesis Au@TiO2SiO2 microsheet 7. Karakterisasi 8. Pelarutan Pewarna 9. Pembuatan Elektrolit 10. Perakitan DSSC 11. Pengukuran arus dan tegangan 12. Analisa hasil dan pembahasan 13. Penyusunan laporan akhir

27

28

4.2

Luaran Penelitian Dengan terselesaikannya penelitian ini maka diharapkan didapatkan luaran

berupa minimal satu jurnal terindeks scopus agar dapat digunakan sebegai referensi oleh peneliti selanjutnya yang akan mengembangkan penelitian ini.

(halaman ini sengaja dikosongkan)

DAFTAR PUSTAKA Bai, L., Li, M., Guo, K., Luoshan, M., & Fatima, H. (2014). Plasmonic enhancement of the performance of dye-sensitized solar cell by core e shell AuNRs @ SiO 2 in composite photoanode. Journal of Power Sources, 272, 1100–1105. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.09.083 Budiarti, H., Puspitasari, R., Hatta, A., Sekartedjo, & Risanti, D. (2017). Structure Using

Lapindo

Mud

Extract

via

Sol-Gel

Method,

170,

65–71.

https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.013 Castro, A. L., Nunes, M. R., Carvalho, A. P., Costa, F. M., & Flore, M. H. (2008). Synthesis of anatase TiO 2 nanoparticles with high temperature stability and photocatalytic

activity.

Solid

State

Sciences,

10,

602–606.

https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2007.10.012 Dong, H., Wu, Z., Lu, F., Gao, Y., El-shafei, A., Jiao, B., … Hou, X. (2014). Optics – electrics highways : Plasmonic silver nanowires @ TiO 2 core – shell nanocomposites for enhanced dye-sensitized solar cells performance. Nano Energy, 10, 181–191. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.09.011 Falahatdoost, S., Hossein, M., Ara, M., Shaban, Z., & Ghazyani, N. (2015). Optical investigation of shell thickness in light scattering SiO 2 particle with TiO 2 nanoshells and its application in dye sensitized solar cells. Optical Materials, 47, 51–55. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2015.06.053 Grätzel,

M.

(2003).

Dye-sensitized

solar

cells,

4,

145–153.

https://doi.org/10.1016/S1389-5567(03)00026-1 Jang, Y. H., Jang, Y. J., Kochuveedu, S. T., Byun, M., Lin, Z., & Kim, D. H. (2014). Plasmonic dye-sensitized solar cells incorporated with Au – TiO2 nanostructures

with

tailored

configurations,

1823–1832.

https://doi.org/10.1039/c3nr05012b Kay, A., & Grätzel, M. (1996). Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder. Solar Energy Materials and Solar Cells, 44, 99–117. Kwon, H.-W., Lim, Y.-M., Tripathy, S. K., & Kim, B. (2007). Synthesis of Au /

29

30

TiO2 Core-Shell Nanoparticles from Titanium Isopropoxide and Thermal Resistance Effect of TiO2 Shell. Japanese Journal of Applied Physics, 46(April), 2567–2570. https://doi.org/10.1143/JJAP.46.2567 Mustopa, R. S., & Risanti, D. D. (2013). Karakterisasi Sifat Fisis Lumpur Panas Sidoarjo dengan Aktivasi Kimia dan Fisika. JURNAL TEKNIK POMITS, 2(2), 256–261. Narayan, M. R. (2012). Review : Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 208– 215. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.148 O’Regan, B., & Grätzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 353, 737–740. Pandikumar, A., Lim, S., Jayabal, S., & Ming, N. (2016). Titania@gold plasmonic nanoarchitectures : An ideal photoanode for dye-sensitized solar cells. Renewable

and

Sustainable

Energy

Reviews,

60,

408–420.

https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.107 Pribadi, A. J. H., Z., A. A., & Munasir. (2013). Pengaruh pH Akhir Larutan pada Sintesis Nanosilika dari Bahan Lusi dengan Metode Kopresipitasi. Inovasi Fisika Indonesia, 2(3), 7–10. Son, S., Hwang, S. H., Kim, C., Yun, J. Y., & Jang, J. (2013). Designed synthesis of SiO2/TiO2 core/shell structure as light scattering material for highly efficient dye-sensitized solar cells. https://doi.org/10.1021/am400441v Sulaeman, U., & Zuhairi, A. (2017). The way forward for the modification of dyesensitized solar cell towards better power conversion efficiency, 74(December 2015), 438–452. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.02.063 Tanvi, Mahajan, A., Bedi, R. K., Kumar, S., Saxena, V., & Aswal, D. K. (2016). Efficiency enhancement in dye sensitized solar cells using dual function mesoporous silica as scatterer and back recombination inhibitor. Chemical Physics Letters, 658, 276–281. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2016.06.071 Theil, F., Dellith, A., Dellith, J., Undisz, A., Csáki, A., Fritzsche, W., … Dietzek, B. (2014). Ru dye functionalized Au-SiO2@TiO2 and Au/Pt-SiO2@TiO2 nanoassemblies for surface-plasmon-induced visible light photocatalysis, 421, 114–121. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.01.029

31

Wang, Y., Chen, E., Lai, H., Lu, B., Hu, Z., Qin, X., … Du, G. (2013). Enhanced light scattering and photovoltaic performance for dye-sensitized solar cells by embedding submicron SiO 2 / TiO 2 core / shell particles in photoanode. Ceramics

International,

39(5),

5407–5413.

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.12.048 Wang, Z., Tang, Q., He, B., Chen, H., & Yu, L. (2015). Efficient dye-sensitized solar cells from curved silicate microsheet caged TiO 2 photoanodes . An avenue of enhancing light harvesting. Electrochimica Acta, 178, 18–24. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.07.120 Willets, K. A., & Duyne, R. P. Van. (2007). Localized Surface Plasmon Resonance Spectroscopy

and

Sensing.

https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58.032806.104607 Wu, J., Lan, Z., Hao, S., Li, P., & Lin, J. (2008). Progress on the electrolytes for dye-sensitized solar cells *. Pure and Applied Chemistry, 80(11), 2241–2258. https://doi.org/10.1351/pac200880112241 Ye, M., Zhou, H., Zhang, T., Zhang, Y., & Shao, Y. (2013). Preparation of SiO2@Au@TiO2 core-shell nanostructures and their photocatalytic activities under visible light irradiation. Chemical Engineering Journal, 226, 209–216. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.04.064