Jurnal Fisika Indonesia No: 53, Vol XVIII, Edisi Agustus 2014
ISSN : 1410-2994
Pelapisan TiO 2 di atas FTO dengan Teknik Slip Casting dan Spin Coating untuk Aplikasi DSSC

## Deni Yulika, Kusumandari, Risa Suryana
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Jalan Ir. Sutami No. 36A Kentingan Surakarta deniyulika016@gmail.com
Abstrak – Pelapisan TiO 2 di atas substrat FTO telah dibuat dengan teknik slip casting dan spin coating untuk aplikasi pada sel surya struktur DSSC. Dye antosianin sebagai fotosensitizer, TiO 2 fase anatase sebagai elektroda kerja, lapisan karbon sebagai elektroda lawan, dan elektrolit I ˉ/I 3 ˉ digunakan sebagai bahan penyusun DSSC. Analisa kurva karakteristik I-V menghasilkan efisiensi sebesar 0,9 × 10 -2 % dengan teknik slip casting dan 1,8 ×  10 -2 % dengan teknik spin coating . Pelapisan  TiO 2 teknik spin  coating dapat  meningkatkan  kinerja  DSSC dua  kali  lebih  besar  daripada  teknik slip  casting. Hal  ini  disebabkan  teknik spin coating memiliki homogenitas lapisan  TiO 2 yang  terkalsinasi dengan baik pada substrat sehingga  mampu  menyerap dye dengan optimal.
Kata kunci: Antosianin , DSSC , slip casting, spin coating.
Abstract  –  Deposition  of    TiO 2 on  FTO  substrates  have  been  performed  using  slip  casting  and  spin  coating  methods  for DSSC  application. Anthocyanin  dye  as  photosensitizer,  TiO 2 anatase  phase  as  working  electrode,  a  carbon  layer  as  counter electrode,  and  I ˉ/I 3 ˉ  electrolyte are  used  as  component  materials  of  DSSC.  I-V  characteristic  curves  analysis  resulted efficiency  of  0.9  ×  10 -2 %  by  slip  casting  method  and  1.8  ×  10 -2 %  by  spin  coating  method.  Deposition  of  TiO 2 using  spin coating  method  can  improve  the performance  of  DSSC two  times  greater  than the  slip  casting  method.  It is  considered  that spin coating method has  the calcined-TiO 2 layers more homogeneous  than slip casting method. Therefore,  the calcined-TiO 2 layers produced by spin coating method can absorb dyes optimally.
Key words: Anthocyanin, DSSC, slip casting, spin coating.

## I. PENDAHULUAN
Posisi  Indonesia  terletak  di  garis  khatulistiwa  dan memiliki iklim tropis sehingga menyebabkan pancaran sinar matahari  yang  diterima  sangatlah  besar.  Sinar  matahari merupakan  sumber energi utama  yang tidak akan habis jika dipakai  manusia  dalam  pemenuhan  kebutuhannya.  Sesuai dengan  prinsip  kerja sel surya  yaitu dapat mengubah energi matahari  menjadi  energi  listrik,  maka  Indonesia  memiliki potensi  sumber  tenaga  surya  yang  sangat  besar  sebagai sumber energi alternatif .
Generasi sel surya ada tiga diantaranya sel surya berbahan silikon, sel surya lapisan tipis ( thin film), dan Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) [1]. Proses pembuatan sel surya berbahan silikon  dan  sel  surya  lapisan  tipis  memerlukan  biaya  yang sangat  mahal  sehingga  muncul  sel  surya  organik  yaitu DSSC  yang  mempunyai  kelebihan  seperti  harganya  murah, proses pembuatan mudah, dan ramah lingkungan.
DSSC  memiliki  tiga  komponen  utama  yaitu  elektroda kerja,  elektroda  lawan,  dan  larutan  elektrolit.  Elektroda lawan  dan  elektroda  kerja  disusun  dalam  bentuk sandwich dengan elektrolit redoks sebagai pemisah diantara keduanya. Elektroda  kerja  dilapisi  oleh  lapisan  TiO 2 .  Elektroda  lawan dilapisi  oleh  karbon.  Keduanya  terbuat  dari  substrat  kaca transparan  yang  konduktif,  salah  satunya  adalah  FTO. Larutan  elektrolit  yang  digunakan  adalah  pasangan  redoks I ˉ/I 3 ˉ . Susunan DSSC dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur DSSC [2]
Prinsip  kerja  DSSC  dijelaskan  pada Gambar  2. DSSC mampu  mengubah  energi  cahaya  menjadi  energi  listrik. Energi    dari    foton  mengenai dye yang  melekat  pada permukaan  TiO 2 menyebabkan  elektron  tereksitasi.  Eksitasi ini terjadi dari pita valensi  yaitu HOMO ( Highest Occupied Molecular  Orbital )  ke  pita  konduksi  yaitu  LUMO  ( Lowest Unoccupied  Molecular  Orbital ).  Elektron  dari  pita  LUMO berpindah  ke  pita  konduksi  TiO 2 .  Hal  ini  terjadi  karena energi pita konduksi  TiO 2 lebih rendah daripada energi pita LUMO [3].
Jurnal Fisika Indonesia No: 53, Vol XVIII, Edisi Agustus 2014
Gambar 2. Prinsip kerja DSSC [2]
Parameter  yang  menentukan  baik  atau  tidaknya  suatu TiO 2 digunakan  sebagai  lapisan  semikonduktor  pada  DSSC selain  pada  ukuran  partikelnya  yang  kecil,  juga  dari ketebalan  lapisan  TiO 2 yang  meliputi  struktur  permukaan dan  diameter  pori  antar  patikel  TiO 2 sebagai  difusor dye . Oleh karena itu, penelitian ini fokus kepada fabrikasi lapisan TiO 2 yang optimal untuk aplikasi DSSC.
Beberapa  metode  deposisi  TiO 2 di  atas  TCO  diantaranya yaitu doctor  blade,  spray , slip  casting, dan spin  coating. Metode doctor  blade mampu  membuat  lapisan  tipis  sekitar 15  μm  tetapi  alat  ini  masih  jarang  ditemui  dan  harganya mahal  [4].  Metode spray menggunakan  alat airbrush yang tersusun  dari  jarum,  pipa  kecil,  dan  pompa  udara. Mekanisme kerjanya diawali dengan proses pembuatan larutan  TiO 2 .  Larutan  TiO 2 (0,25  M)  dimasukkan  dalam tabung airbrush ,  kemudian  disemprotkan  ( spray )  ke  atas substrat TCO dengan tekanan yang cukup tinggi berasal dari kompresor  [5].  Metode slip  casting merupakan  metode paling  murah  jika  dibandingkan  dengan  metode  yang lainnya. Alat yang digunakan juga mudah ditemukan. Untuk meratakan TiO 2 yang sudah dideposisikan di atas TCO, hanya  dibutuhkan spatula .  Metode ini memiliki ketebalan bergantung  pada  selotip  yang  diberikan  [6].  Metode spin coating merupakan metode yang digunakan untuk meratakan lapisan di atas suatu substrat dengan memanfaatkan  gaya  semu  sentrifugal  dengan  menggunakan laju putar spin tertentu. Larutan  yang  digunakan  harus homogen [7].
Penelitian  ini  difokuskan  pada  metode slip  casting dan spin  coating dengan  ketebalan  sama  yaitu  menggunakan selotip  yang  sama.  Selanjutnya  lapisan-lapisan  TiO 2 ini digunakan  dalam  pembuatan  stuktur  DSSC.  Sifat  listrik DSSC  tersebut  diukur  dengan  menggunakan Keithley  I-V meter. Sedangkan morfologi lapisan TiO 2 dilihat menggunakan High-Resolution  Charge-Coupled  Device (CCD)  kamera  digital  dari Atomic  Force  Microscopy (AFM).  Fase  TiO 2 ditentukan  menggunakan X-Ray Diffraction  (XRD). Absorbansi  lapisan  TiO 2 diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis.

## II.    METODE PENELITIAN
Prosedur penelitian terdiri dari pembuatan lapisan TiO 2 di atas Fluorine-doped  Tin  Oxide (FTO)  dengan  teknik slip
casting dan spin  coating ,  pembuatan komponen-komponen struktur  DSSC  yang  meliputi dye antosianin,  elektrolit,  dan elektroda  lawan,  serta  karakterisasi  yang  meliputi  CCD kamera  digital  dari  AFM Park  System  XE-70 ( high resolution = 1  μm), XRD  D8 Advance ,  spektrofotometer UV-Vis Lambda 25  dan Keithley  I-V meter  tipe  2602A system  source .  Prosedur  penelitian  secara  lengkap  dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Bagan prosedur penelitian
Pasta TiO 2 dibuat  dengan  melarutkan  0,5  gr serbuk  TiO 2 dalam 2 mL etanol untuk teknik slip casting dan melarutkan 0,5  gr serbuk  TiO 2 dalam  4  mL  etanol  untuk  teknik spin coating . Pasta  tersebut  diaduk  dengan magnetic stirrer selama 30  menit dengan  kecepatan  putar  300  rpm,  agar larutan  homogen.  Selanjutnya  pasta  TiO 2 yang  telah  siap dilapiskan  di  atas  permukaan  FTO  dengan  teknik slip casting yaitu  dengan  cara  meratakan  pasta  TiO 2 di  atas permukaan  FTO  dengan spatula .  Sedangkan  teknik spin coating dilakukan  dengan  cara  meneteskan  pasta  TiO 2 sampai  permukaan  FTO  tertutup  pasta  TiO 2 dan  diputar dengan  kecepatan  1000  rpm  selama  60  detik  sampai  3  kali pelapisan.
Sesudah  proses  pelapisan,  FTO  yang  telah  terlapisi  TiO 2 dibiarkan  mengering  di  udara  terbuka.  Kemudian  elektroda yang telah dibuat tersebut siap untuk dehidrolisis pada  suhu 400°C selama 10  menit agar  material organiknya  menguap . FTO  yang  terlapisi  TiO 2 digunakan  sebagai  elektroda  kerja dalam  struktur sandwich DSSC.  Elektroda  lawan  dibuat dengan  memberi  lapisan  karbon  dari  jelaga  lilin  ke  atas
Pembuatan pasta TiO 2
Pelapisan TiO 2 : slip casting & spin coating
Annealing suhu 400°C selama 10 menit
Perendaman dengan antosianin dye : suhu ruang selama 24 jam
Pembuatan lapisan elektroda lawan dengan karbon
Pembuatan struktur sandwich elektroda TiO 2 dan karbon
Karakterisasi sifat listrik: I-V meter
Karakterisasi morfologi & Absorbansi: kamera AFM &
UV- Vis Uji Absorbansi : UV-Vis Serbuk TiO 2 Uji fase: XRD
Jurnal Fisika Indonesia No: 53, Vol XVIII, Edisi Agustus 2014
permukaan  FTO,  sedangkan  elektrolit  terbuat  dari polyethylenglicol (PEG), potassium  iodide (KI),  dan iodine (I 2 ). Dye antosianin terbuat dari ekstraksi bunga mawar yang dilarutkan dalam metanol.
Pengujian  tegangan  dan  arus  yang  dihasilkan  DSSC dilakukan dengan  menghubungkan probe positif  pada susbtrat  yang  terlapisi  karbon  dan probe negatif  pada substrat  yang  terlapisi  TiO 2 .  Data  yang  diperoleh  dari pengujian  ini  berupa  grafik  karakteristik  I-V.  Pengujian dilakukan dalam dua kondisi, yaitu kondisi gelap dan terang.
Analisa grafik I-V akan diperoleh nilai efisiensi .

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisa Fase TiO 2 Serbuk TiO 2 dikarakterisasi menggunakan XRD dari sudut 20°-80°.  Sinar-X  yang  digunakan  berasal  dari  Cu  dengan panjang gelombang 0,15406 nm. Dari hasil karakterisasi ini dapat  dilihat  fase  kristalnya.  Penentuan  fase  yang  terjadi pada serbuk TiO 2 tersebut dilakukan dengan membandingkan  puncak-puncak  pada  hasil  karakterisasi dengan  JCPDS database  anatase dan rutile .  Dari  pola difraksi  pada Gambar  4 dapat  diketahui  bahwa  serbuk dominan  mengandung  fase anatase. Fase anatase memiliki aktivitas fotokatalitik yang baik.
Gambar 4. Pola difraksi hasil karakterisasi XRD serbuk TiO 2

## B. Analisa Morfologi Lapisan TiO
2 Gambar  5 menunjukkan  foto  morfologi  permukaan lapisan  TiO 2 yang  dideposisi di atas FTO  yang diambil oleh kamera  AFM.  Berdasarkan  foto  AFM  morfologi  lapisan TiO 2 yang  dideposisi  dengan  teknik slip casting ( Gambar 5.a )  dan spin coating ( Gambar  5.b )  tampak  berbeda. Dimana  morfologi  lapisan  TiO 2 dengan  teknik spin  coating terlihat  lebih  rata  dan  homogen  dibandingkan  dengan morfologi lapisan TiO 2 hasil slip casting.
(a) (b)
Gambar 5. Foto kamera AFM morfologi lapisan TiO 2 di atas FTO dengan (a) teknik slip casting dan (b) teknik spin coating
Pada Gambar  5.a memperlihatkan  morfologi  lapisan TiO 2 untuk  teknik slip casting mengalami  cacat/retak.  Hal ini berarti pada lapisan TiO 2 terdapat grain boundary (batas butir). Grain  boundary berpengaruh  pada  proses difusi elektron  yang  menuju elektroda tidak optimal  [8]. Sehingga diperkirakan bahwa jumlah elektron yang berhasil mencapai elektroda lebih sedikit jika dibandingkan dengan teknik spin coating ( Gambar 5.b ). Sifat  optik  (absorbsi)  lapisan  TiO 2 sebelum  dan  sesudah direndam dye ditunjukkan  pada Gambar  6.  S pektrum absorbsi  diukur  pada  panjang  gelombang  300-700  nm. Gambar  6 memperlihatkan  plot  grafik  absorbsi  terhadap panjang gelombang dari lapisan TiO 2 yang belum diberi dye dan  yang  sudah  diberi dye untuk  teknik slip casting ( Gambar 6.a ) dan teknik spin coating ( Gambar 6.b ). Dari grafik  tersebut  terlihat  bahwa  penambahan dye akan meningkatkan  kemampuan  lapisan  TiO 2 untuk  menyerap cahaya yang datang.
Gambar 6. Grafik sifat optik (absorbsi) lapisan TiO 2 sebelum dan sesudah direndam dye untuk teknik slip casting (a) dan teknik spin coating (b)
C. Analisa Karakteristik I-V Performa  dari  sel  surya  berbasis dye-sensitzed diketahui dengan  pengukuran  karakteristik  kurva  I-V.  Pengukuran dapat  dilakukan  melalui  pergeseran  kurva  I-V  saat  keadaan gelap  dan  terang.  Kurva  I-V  saat  keadaan  terang  harus berada  di  bawah  kurva  I-V  saat  keadaan  gelap  dan  terletak pada  kuadran  IV,  sehingga  efisiensi  dari  DSSC  dapat dihitung  menggunakan  nilai  dari Im,  Vm,  Ics,  dan  Voc. Im dan Voc merupakan  nilai  tegangan  dan  arus  yang menghasilkan  daya  maksimum. adalah  nilai  arus  ketika tegangan  bernilai nol,  sedangkan adalah  nilai tegangan ketika arus bernilai nol.
Karakteristik  kurva  I-V  dapat  dilihat  pada Gambar  7. Dari  nilai-nilai  tersebut  didapat  efisiensi  sebesar  0,9  ×  10 -2
% dengan teknik slip casting dan 1,8 × 10 -2 % dengan teknik spin coating .  Efisiensi  yang  dihasilkan  dari  teknik spin coating lebih besar dibandingkan dengan teknik slip casting dimungkinkan  karena  teknik spin coating memiliki homogenitas  lapisan  TiO 2 yang  terkalsinasi  dengan  baik pada  substrat  yang  menyebabkan  partikel-partikel dye menempel  sempurna  pada  permukaan  TiO 2 sehingga meningkatkan penyerapan foton.    Selain itu  difusi elektron menuju  elektroda  tidak  terhambat  oleh  batas  area  (retak) seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
A: anatase
R: rutile
Jurnal Fisika Indonesia No: 53, Vol XVIII, Edisi Agustus 2014
Gambar 7. Kurva karakteristik I-V teknik slip casting (a) dan spin coating (b)

## IV. KESIMPULAN
Pelapisan TiO 2 di atas FTO telah berhasil dibuat dengan teknik slip casting dan spin  coating. Efisiensi  yang dihasilkan dari teknik spin coating lebih besar dibandingkan dengan  teknik slip  casting. Hal  ini  disebabkan    karena teknik spin coating memiliki  lapisan  TiO 2 yang  homogen dibandingkan lapisan TiO 2 teknik slip casting .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Dikti  yang  telah mendanai  penelitian  ini  melalui  Program  Kreativitas Mahasiswa  tahun  2013.  Penulis  juga  mengucapkan  terima kasih kepada Laboratorium Fisika Material dan Laboratorium  MIPA  Terpadu  Universitas  Sebelas  Maret atas dukungan alat eksperimen dan karakterisasi.

## PUSTAKA
[1] M.  Grätzel,  Dye-Sensitized  Solar  Cell. Journal  of Photochemistry  and  Photobiology  C:  Photochemistry Review, vol. 4, 2003, pp. 145-153.
[2]    Y.S. Chen, J.N. Lee, S.Y. Tsai, and C.C. Ting, Manufacture of  Dye-Sensitized  Nano  Solar  Cells  and  their  I-V  Curve Measurements. Proceedings of ICAM , vol. 08, 2007, pp. 26- 28.
[3] J.  Halme,  Dye-sensitized  nanostructured  and  organic photovoltaic  cells:  technical  review  and  preliminary  tests, M.Sc. Thesis ,  Helsinki  University  of  Technology,  Espoo, 2002.
[4] Y.  Liu,  Y.  Lu,  Y.  Zeng,  C.  Liao,  J.  Chung,  and  T.  Wei, Nanostructured  Mesoporous  Titanium  Dioxide  Thin  Film Prepared  by  Sol-Gel  Method for Dye-Sensitized  Solar Cell. International Journal of Photoenergy , 2011, pp. 1-9.
[5] D. Mustikasari, A. Supriyanto, and R. Suryana, Karakteristik Lapisan  TiO 2 Metode Spray dalam  Dye-Sensitized  Solar Cell, Jurnal  Teori  dan  Aplikasi  Fisika ,  vol.  01,  no.  02,
2013, pp. 105-111.
[6] R. Nuryadi,  Efek  Adsorpsi  Dye  ke  dalam  Lapisan  TiO 2 dengan Metode Elektroforesis: DSSC Berbasis Lapisan TiO 2 Terbuat  dengan  Metode  Slip  Casting  dan  Metode Elektroforesis. Jurnal  Rekayasa  Kimia  dan  Lingkungan , vol.8, no.1, 2011, pp. 35-40.
[7] H.  Cui, H-S.  Shen,  Y-M.  Gao,  K.  Dwight,  and  A. Wold, Photocatalytic Properties of Titanium (IV) Oxide Thin Films
Prepared  by  Spin  Coating  and  Spray  Pyrolysis . Materials Research Bulletin , vol. 28, 1993, 195-201.
[8] Y.  Pang  and  P.  Wynblatt,  Effects  of  Nb-doping  and Segregation  on  the  Grain  Boundary  Plane  Distribution  in TiO 2 , Journal  of  the  American  Ceramic  Society ,  vol.  89, 2006, pp. 666–671.