## Studi Awal Pengaruh Ekstrak Buah Naga Merah sebagai Bahan Dye Pada Sel Surya

## Effect of Red Dragon Fruit Extract as Dye in Solar Cells
Ajeng Eliyana *) , Deska Lismawenning Puspitarum, Dana Laksono Institut Teknologi Sumatera
* E-mail: eliyanaajeng13@gmail.com

## ABSTRACT
Along  with  the  development  of  nanotechnology,  the  development  of  solar  cells  entered  a significant  stage  with  the  emergence  of  the  newest  generation,  namely  DSSC  (Dye Sensitized Solar Cell). The utilization of dragon fruit skin which has been extracted as dye in dye sensitized solar cells and solar cell development to realize sustainable energy supply is the main target in this study.  The  method  carried  out  begins  with the  synthesis  of  nanoparticles  from  organic  material (TiO 2 ),  to  obtain  good  TiO 2 material  as  an  anti-reflection,  where  anti-reflection  is  selected  on DSSC technology to reduce light reflection in the visible light region. The crystal size of TiO 2 was analyzed as an oxide layer material in DSSC. DSSC synthesis was carried out and the parameters of  organic  solar  cell  devices  (DSSC)  were  optimized  to  obtain  solar  cells  with  good  conversion efficiency. The results showed that the size of TiO 2 obtained was an average of 0.211 nm and the maximum wavelength value of the extract of the dragon fruit dye solution was 530 nm .
Keywords: dye, solar cell, DSSC, TiO 2.

## PENDAHULUAN
Ketersediaan  sumber  energi  konvensional  dari bahan  bakar  fosil  seperti  minyak  bumi  sampai saat  ini  semakin  menipis  dan  diperkirakan bahwa  kandungan  minyak  bumi  yang  akan habis.  Untuk  mewujudkan  persediaan  energi yang  berkelanjutan  berbagai  upaya  telah dilakukan yaitu mencari sumber-sumber cadangan  yang  baru  termasuk  pengembangan sumber energi alternatif ataupun sumber energi terbarukan.  Sel  surya  merupakan  alternatif yang  cukup  menjanjikan  dalam  penggunaan energi. Dalam  perkembangan pembuatannya, sel  surya  dibedakan  menjadi  tiga  yaitu  sel surya  yang  terbuat  dari  silikon  tunggal,  dan silikon  multi  kristal.  Kedua,  sel  surya  tipe lapisan tipis dan  yang  ketiga  sel surya organik (DSSC, Dye    Sensitized  Solar  Cell)  (Ekasari, 2013).
Ketersediaan  bahan  baku  yang  dapat diperbaharui,  fleksibilitas,  dan  biaya  produksi yang  murah  menjadikan  sel  surya  organik menarik  minat  banyak  peneliti  dalam  satu dekade  terakhir.  Bahkan  dilaporkan  bahwa  sel surya  organik  saat  ini  telah  mencapai  efisiensi konversi  sekitar  5%, khususnya  sel  surya organik berbasis molekul-molekul kecil (Schauer, 2005).
Pada  sel  surya  organik,  absorpsi  cahaya dilakukan oleh  molekul dye.   (Nadeak, 2012). Tegangan  yang  dihasilkan  oleh  sel  surya nanokristal  tersensitisasi dye berasal  dari
perbedaan tingkat  energi  konduksi  elektroda semikonduktor TiO 2 dengan potensial elektrokimia pasangan elektrolit redoks. Sedangkan  arus  yang  dihasilkan  dari  sel  surya terkait  lansung  dengan  jumlah  foton  yang terlibat  dalam  proses  konversi  dan  bergantung pada  intensitas  penyinaran  serta  kinerja dye yang digunakan (Li et al., 2006).
Peneliti  lain  melaporkan  bahwa  upaya pengembangan sel  surya  organik  dapat dilakukan melalui optimalisasi transfer pembawa  muatan dalam lapisan fotoaktif  yang mengandung phthalocyanine sebagai donor dan molekul  C 60 sebagai  akseptor  (Johnev et  al., 2005). Molekul-molekul fotoaktif pada dasarnya  dapat  dijumpai  pada  berbagai  jenis buah-buahan dengan konsentrasi yang berbeda- beda seperti gugus phthalocyanine, phenilamine, benzidine, ataupun carboximide.
Gugus-gugus molekul
ini akan menghasilkan  pasangan  pembawa  muatan (elektron  dan  hole)  jika  diberi  penyinaran. Elektron yang
tereksitasi menuju
semikonduktor  anorganik  dengan band-gap yang lebar. Titanium dioksida (TiO 2 ) merupakan  semikonduktor  anorganik  yang mempunyai band-gap lebar (Gratzel, 2003).
Hal  inilah  yang  menjadi  dasar  pemikiran sehingga  penelitian  tentang  ekstraksi  molekul fotoaktif dari buah-buahan lokal penting untuk dilakukan. Dalam penelitian ini dye alami yang digunakan  yaitu antosianin yang terdapat pada
ekstrak  kulit  buah  naga,  buah  naga  ini  mudah diperoleh.

## METODE

## Bahan dan Alat
Bahan-bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini meliputi  TiO 2 teknis,  substrat  kaca  Fluorine  Tin Oxide  (FTO),  etanol  99%,  Aseton,  ,  aquades,  kulit buah naga merah.
Peralatan  yang  digunakan  yaitu  multimeter digital, timbangan digital, Magnetic Stirrer Hotplate, beaker  glass,  gelas  ukur,  labu  ukur, spatula,  pipet  tetes, mortal dan pastel,  cawan  tahan panas, ultrasonic  cleaner, furnace atau  oven, multimeter,  solder,  kertas  tisu,  kain  kassa,  spiner (spin coating), Spektrofotometer UV-Vis, dan SEM.

## Prosedur Penelitian
Sintesis  Serbuk  TiO 2 dan  Menyiapkan  Lapisan Oksida TiO 2 Semikonduktor  TiO 2 yang  telah  disintesis  3,5  gram dan  dicampur  dengan  ethanol  15  ml  digunakan sebagai  dasar  layer  oksida.  Campuran  tersebut diaduk menggunakan menggunakan magnetic stirrer selama  1  jam.  Campuran  sol  gel  yang  terbentuk dideposisikan pada kaca FTO (Fluorine Tin Oxide). Kaca  FTO  sebagai  substrat  yang  digunakan  pada DSSC  yang  merupakan  kaca  tranparan  konduktif yang  berfungsi  sebagai  bagian  utama  pembentuk DSSC  dan  muatan  konduktifnya  sebagai  muatan mengalir.

## Deposisi Lapisan Oksida TiO
2 Langkah  pertama  deposisi  lapisan TiO 2 adalah pencucian  substrat kaca  FTO  (Fluorine  Tin  Oxide) dengan ultrasonic  cleaner dengan  aseton  kemudian dilakukan sonification  bath selama  10  menit,  lalu dibersihkan  kembali  dengan  menggunakan  DI
(deionized) water. Pembersihan selanjutnya dilakukan  dengan  methanol  dengan  metode  yang sama  seperti  di  atas,  kemudian  substrat  dikeringkan dengan  menggunakan  semprotan  gas  nitrogen. Langkah  selanjutnya,  FTO disimpan  di  atas  mesin spin  coating dengan  putaran  sebesar  3000  rpm dengan  posisi  sisi  konduktif  menghadap  ke  atas. Pasta TiO 2 diteteskan sebanyak 6 tetes.

## Proses Annealing Lapisan Oksida
Lapisan  oksida  TiO 2 yang  telah  di  deposisikan  di atas  FTO dalam  furnace.  Proses annealing ini dilakukan  pada  temperatur  550 o C  dengan  variasi waktu holding masing-masing  adalah  60  menit  dan 90 menit. Hal ini dimaksudkan agar molekul oksida saling  mengikat  sempurna  dan  molekul  pelarut seperti ethanol dapat menguap.

## Preparasi Larutan Dye Ekstrak Kulit Buah Naga Merah
Pembuatan larutan dye dilakukan dengan menggerus menggunakan  mortar.  50  gram  ekstrak  kulit  buah naga  merah  tersebut  dilarutkan  dengan  campuran aquades sebanyak  25  ml, ethanol sebanyak  21  ml, dan  asam  asetat  sebanyak  4  ml.  Kemudian  disaring dengan kain kassa agar diperoleh larutan dye-nya.
Sensititasi Lapisan Oksida TiO 2 Dengan mencelupkan lapisan oksida FTO yang telah di-annealing ke dalam dye larutan buah naga merah. FTO diletakkan  dengan  posisi layer oksida menghadap  ke  atas.  Kemudian  didiamkan  selama kurang lebih dua jam sehingga larutan dye menyerap sempurna  ke  dalam  layer  oksida,  kemudian  FTO dibilas dengan aquades dan ethanol dan dikeringkan dengan tiupan Nitrogen.
Karakterisasi  nanopartikel  TiO 2 dan pengaruh
dye ektrak buah naga merah
Karakteristik  material  yang  dihasilkan  pada  setiap langkah  eksperimen  hanya  dapat  diketahui  melalui hasil-hasil  pengukuran.  Dalam  penelitian  ini, karakterisasi  TiO 2 menggunakan  SEM  EDS  untuk melihat  morfologi  ukuran  dari  nanopartikel  yang disintesis dan analisa kandungan dye, dan karakterisasi spektrofotometer UV-Vis untuk analisa pengukuran  absorbansi  dan  panjang  gelombang cahaya tampak yang diserap dye.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil karakterisasi SEM pada TiO 2 ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar tersebut menunjukkan sebaran  ukuran  bulir-bulir  TiO 2 yaitu  rata-rata 0,211  m dengan pembesaran  40.000x. Ukuran yang  diperoleh  masih  dalam  skala  mikro,  hal ini dimungkinkan karena pada saat pengadukan dengan  metode magnetic  stirrer yang  kurang lama, sehingga partikel-partikel yang dihasilkan belum berukuran nano.
Gambar 1. Hasil Karakterisasi SEM Pasta TiO 2 dengan pepbesaran 40.000x.
Hasil  karakterisasi  SEM  dari  campuran  sol gel  TiO 2 yang  dideposisi  di  atas  kaca  FTO mengunakan  metode spin  coating dengan putaran 3000 rpm dan annealing 110 0 C selama 6  jam  ditunjukkan  pada Gambar  2.  Kecepatan spin coating ini mempengaruhi  ketebalan dari lapisan  tipis  TiO 2 yang  terdeposisi,  semakin cepat  putaran  yang  digunakan  maka  film  yang terbentuk semakin tipis, ini akan mempengaruhi homogenitas partikel TiO 2 yang ditumbuhkan,  sehingga  lapisan  TiO 2 yang ditumbuhkan akan semakin transparan
sehingga  mempengaruhi  penyerapan  sinar matahari secara maksimal.
Gambar  2. Hasil  Karakterisasi  TiO 2 di  atas substrat  FTO  (Fluorin    Tranparent Oxide).
Hasil  dari  karakterisasi  SEM  TiO 2 diatas substrat  FTO  menunjukkan  sebaran  ukuran bulirnya  yaitu  rata-rata  0,183  m.  Sedikit berbeda dengan ukuran serbuk TiO 2 sebelum di deposisi diatas substrat FTO, hal ini disebabkan karena pasta TiO 2 yang di deposisi masih  berukuran  di  skala  mikro, pasta  TiO 2 yang di deposisikan masih terlalu cair sehingga saat  dilakukan spin  coating masih  mengumpul di  tengah  dan  tersebar  acak  dipinggirnya
artinya  ketebalan  pasta  TiO 2 belum  homogen, dan  yang  terakhir  yaitu  pada  saat  proses annealing dimana suhu yang digunakan terlalu rendah    110 0 C  walaupun  dilakukan  selama  6 jam.  Proses  ini  dilakukan dengan  tujuan  pasta TiO 2 jauh  lebih  melekat  di    substrat  FTO  dan memperbaiki struktur yang terbentuk. Untuk  mengetahui  absorbansi  ekstrak dye kulit  buah  naga  merah dilakukan  melalui karakterisasi spektrofotometer UV-Vis. Absorbansi dapat terjadi tergantung  pada kekuatan  elektron yang terikat  dalam  molekul. Hubungan  antara  absorbansi  ekstrak dye kulit buah  naga merah  terhadap  foton  yang dipancarkan oleh sinar matahari yaitu absorbansi  yang  besar  terhadap  energi  cahaya matahari  pada  permukaan  sel  surya  dapat mengeksitasi  elektron-elektron  dari  bahan semikonduktor  TiO 2 pada  pita  valensi  ke  pita konduksi,  sehingga  dapat  menghasilkan  arus listrik  yang  besar.  Selain  itu  sifat  transmitansi yang  kecil  akan  meminimalkan  energi  foton yang  terbuang,  terlihat  pada gambar  3, nilai panjang gelombang maksimum yang dihasilkan sebesar 530 nm.
Tabel 1. Nilai panjang gelombang dari berdasarkan konsentrasi TiO 2 dan Dye No Sampel Konsentrasi Absorbsi (max) Panjang Gelombang (nm) Dye TiO 2 1 Dye 30 % - 0.867 530 2 TiO 2 Tersensitasi Dye 30 % 70 % 0.944 530 3 TiO 2 Tersensitasi Dye 70 % 30 % 0.52 525
Gambar 3. Hasil Karakterisasi UV-Vis dari Dye kulit buah naga merah
Gambar 4. Spektrum absorbsi (a) lapisan TiO 2 tanpa dye, (b) lapisan TiO 2 dengan dye rosella, (c) manggis, (d) terung belanda. (Dahlan, 2012)
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Dahlan (2012) yang ditunjukkan pada
Gambar 4, dimana menggunakan dye rosella,  manggis  dan  terung belanda. terlihat  bahwa  absorbsi  dari  lapisan TiO 2 tanpa  diberi dye penyerapan  terjadi pada rentang gelombang UV (300-380 nm), sedangkan  untuk lapisan  TiO 2 setelah  diberi dye yaitu gambar 4.(b), (c), dan (d)), spektrum absorbsi  cahayanya terjadi  pada rentang  UV sampai  rentang  cahaya  tampak.  Dapat  dilihat bahwa  spektrum  absorbsi  cahaya  yang  paling lebar dimiliki oleh dye kulit buah manggis.
Karakterisasi spektrofometer UV-Vis untuk sampel  TiO 2 Tersensitasi  Dye dilakukan dengan perbandingan 70 % dan 30 % dan TiO 2 Tersentsitasi Dye perbandingan 30 % dan 70%. Hasilnya  menunjukkan  bahwa  nilai  panjang gelombang  untuk  konsentrasi  30 %  Dye  70 % TiO 2 lebih besar yaitu 530 nm (Tabel 1).

## KESIMPULAN
Penambahan  ekstrak  larutan dye buah  naga pada film tipis TiO 2 dengan absorbsi maksimal ditunjukkan pada nilai panjang gelombang 530 nm dengan konsentrasi perbandingan 3:7.

## DAFTAR PUSTAKA
Li, B., Wang, L., Kang, B., Wang, P. and Qiu,
Y. 2006. Solar Energy Mater Solar Cell.
Dahlan, D. 2014. Pengaruh Beberapa Jenis Dye Organik  Terhadap  Efisiensi  Sel  Surya  Dye Sensitized  Solar  Cell. Jurnal  Sains  Materi Indonesia, 15(2): 74-79.
Ekasari,  V.  2013.  Fabrikasi  Dssc  dengan  Dye Ekstrak Jahe Merah (Zingiber Offinale Linn Var.  Rubrum)  Variasi  Larutan  TiO 2 Nanopartikel  Berfase  Anatase  dengan Teknik  Pelapisan. Jurnal  Sains  dan  Seni Pomits 2(1): 2337-3520.
Gratzel,  M.  2003.  Dye  Sensitized  Solar  Cells,
Journal of Photochemistry and Photobiology C. Photochemistry reviews. 4:
145-153.
Johnev,  B.,  Vogel,  M.,  Fostiropoulos,  K., Mertesacker,  B.,  Rusu,  M.,  Lux-Steiner, M.-C.,  Weidinger,  A.  2005.  Monolayer Passivation of the Transparent Electrode in Organic Solar Cells. Thin Solid Films. 488.
270-273.
Nadeak,  S.  2012. Variasi  Temperatur  dan Waktu  Tahana  Kalsinasi  terhadap  Unjuk Kerja  Semikonduktor  TiO 2 sebagai  Dye Sensitized  Solar  Cell  (DSSC)  dengan  Dye
dari  Ekstrak  Buah  Naga  Merah. Jurnal  Teknik ITS 1(1): 2301-9271.
Schauer, F. 2005. Space-charge-limited. Currents for Organic Solar Cells Optimisation,  Solar  Energy  Mater  &  Solar Cells 87: 235-250. Smestad  GP.  1998.  Education  and Solar Conversion: Demonstrating Electron Transfer. Solar Energy Materials and Solar
Cells. 55: 157-178.