## PENINGKATAN EFISIENSI SEL SURYA BERBASIS TITANIA MELALUI PENYISIPAN LOGAM BESI PADA LAPISAN AKTIF TITANIA
(Efficiency Improvement  in Solar Cells Based in Titania with Insertion of Iron)

## Rita Prasetyowati
Jurusan Pendidikan Fisika, FMIPA,Universitas Negeri Yogyakarta, Email : Rita_P@uny.ac.id

## Abstract
Solar  cells  based  on  titania  was  developed  continually  to  reach  better  performance.  To  improve the efficiency, titania layer was inserted by Fe metal. Insertion of Fe metal on TiO 2 layer has been done by electroplating  method  with  various  electroplating  voltage  and  electroplating  time  duration.  Absorption capabilitis of TiO 2 was identified by using UV-Vis spectrometer. Morphological structure and composition of  materials  on  TiO 2 layer  before  and  after  electroplating  was  identified  by  SEM  (Scanning  Electron Microscopy).  Structure  of  solar  cells  that  have  been made  were  characterized  by  using  the  I-V  meter  to determine the performance of solar cells. Solar cell with TiO 2 active layer without  insertion of  Fe only has a solar to electric energy conversion efficiency 0.001%. While solar cells with TiO 2 active layer which was inserted Fe have a solar to electric energy conversion efficiency  0.2%. Insertion of Fe on the TiO 2 layer formed metal contact layer as a path for electrons to transfer more quickly to the electrode (ITO).
Keywords : TiO 2 , electroplating, Fe metal, metal contacts layer, efficiency

## PENDAHULUAN
Titania  merupakan  salah  satu  oksida semikonduktor yang memiliki potensial tinggi sebagai  foto  oksidasi  dan  telah  banyak digunakan sebagai fotokatalis. Titania memiliki sifat optik yang baik, stabilitas kimia yang  tinggi,  non  toksik,  dan  murah  [1].
Titania  juga  mulai  dikembangkan  sebagai divais  fotovoltaic  sejak  Professor  Micahel Gratzel  di  Switzerland  menemukan  bahwa titania mampu mengkonversi cahaya matahari  menjadi  energi  listrik  secara langsung  menggunakan  doping  dye  [2]. Logam-logam  transisi  seperti  Fe,  V,  Cr  dan
Cu, digunakan sebagai doping pada fotokatalis TiO 2 , untuk meningkatkan aktivitas  fotokatalis  TiO 2 [1,3].  Pemberian doping  logam-logam  transisi  tersebut  pada TiO 2 dapat  memperluas  spektrum  absorpsi pada daerah cahaya tampak [1].
Sel surya dengan TiO 2 tanpa penambahan  unsur  apapun  sebagai  lapisan aktif  masih  memberikan  efisiensi  yang rendah  [4].  Pada  paper  ini  dijelaskan pengaruh  penyisipan  logam  pada  sifat-sifat lapisan  titanium  dioksida  sebagai  lapisan aktif.  Penyisipan  logam  diharapkan  mampu meningkatkan  performansi  sel  surya,  yang
ditunjukkan  dengan  peningkatan  efisien- sinya.

## METODE PENELITIAN
Tahapan-tahapan penelitian yang dilakukan  adalah  pembuatan  pasta  TiO 2 , deposisi  pasta  TiO 2 pada  substrat  ITO (Indium Tin Oxide), karakterisasi SEM&EDX, elektroplating  logam  Fe,  pembuatan  lapisan elektrolit,  pengukuran  konduktivitas  lapisan elektrolit,  penyiapan  elektroda  aluminium, dan karakterisasi I-V meter.
Pembuatan  pasta  TiO 2 dilakukan dengan  melarutkan  0,1  gram  PVA  (Polivinil Alkohol)  ke  dalam  10  ml  aquades  sambil diaduk dan dipanaskan menggunakan
magnetic  stirrer pada  suhu  80˚C  selama  2 jam.  Larutan  tersebut  berfungsi  sebagai binder . Setelah itu, 1 gram TiO 2 dimasukkan ke  dalam  larutan  tersebut  sambil  terus diaduk  dan  dipanaskan  sampai  terbentuk pasta yang baik. Waktu yang diperlukan dari pemasukan  TiO 2 ke  dalam  larutan binder sampai  terbentuk  pasta  yang  baik  adalah sekitar 2 jam.
Pasta yang telah terbentuk kemudian dideposisikan  pada  ITO  yang  telah  dicuci. ITO  yang  telah  dipotong  berukuran  1  cm  x 1,25  cm  dicuci  dengan  menggunakan aquades  selama  15  menit  dan  alkokol  70% selama  30  menit,  dengan  menggunakan ultrasonic bath , dan selanjutnya ITO dkeringkan.  Pendeposisian  pasta  TiO 2 pada
ITO dilakukan dengan teknik printing sederhana, yaitu dengan mencelupkan stempel kecil pada pasta TiO 2 lalu mencetakkannya pada ITO. Selanjutnya ITO yang  telah  dilapisi  pasta  TiO 2 dipanaskan di atas hot  plate pada  suhu  100˚C  selama  30 menit  untuk  menguapkan  aquades,  dan dilanjutkan  dengan  dibakar  di furnace pada suhu  450˚C  selama  30  menit  untuk membentuk  kontak  listrik  antara  partikel- partikel TiO 2 . Setelah itu dilakukan karakterisasi SEM dan EDX dengan menggunakan  alat  SEM  JEOL  JSM-6360LA untuk  mengetahui  morfologi  permukaan lapisan  TiO 2 dan  komposisi  bahan  pada lapisan TiO 2 .
Selanjutnya  dilakukan  elektroplating logam  Fe  pada  lapisan  TiO 2 .  Larutan elektrolit  yang  digunakan  adalah  0,1  gram FeCl 2 yang  dilarutkan  pada  10  ml  aquades (konsentrasi larutan 0,073M). Sebagai elektroda positif  (anoda)  adalah  batang  besi dan  sebagai  elektroda  negatif  (katoda) adalah lapisan TiO 2 pada ITO. Elektroplating dilakukan dengan berbagai  variasi  tegangan dan  waktu.  Setelah  selesai  elektroplating, sampel  dikeringkan  di  atas hot  plate pada suhu  100˚C  selama  10  menit  untuk menguapkan  akuades.  Selanjutnya  dilaku- kan  karakterisasi  SEM  dan  EDX  dengan menggunakan  alat  SEM  JEOL  JSM-6360LA untuk  mengetahui  morfologi  permukaan  dan komposisi  bahan  pada  lapisan  TiO 2 yang telah dielektroplating Fe.
Langkah berikutnya adalah
pemberian  lapisan  elektrolit  pada  sampel.
Elektrolit dibuat dengan melarutkan 0,5 gram
NaF  pada  10  ml  aquades  sambil  diaduk menggunakan magnetic  stirrer sampai  NaF larut  seluruhnya.  Kemudian  dimasukkan  0,8 gram  PEG  sedikit  demi  sedikit  sambil  terus diaduk  dan  dipanaskan  pada  suhu  110ºC sampai  pelarut  aquades  menguap  atau terbentuk gel. Gel elektrolit dilapiskan secara manual  pada  lapisan  pasta  TiO 2 yang  telah dielektroplating  dengan  Fe  dan  telah  kering.
Sebagai  sampel  kontrol  adalah  lapisan  TiO 2 tanpa  elektroplating  dengan  logam  Fe.
Konduktivitas elektrolit diukur dengan menggunakan  alat  Ph /Conductivity  Meter Oysk 3415A Extech Instrumen.
Selanjutnya sampel ditumpuk dengan elektroda  aluminium  (Al)  dan  dipanaskan  di atas hot  plate pada  suhu  80ºC  selama  10 menit  agar  gel  elektrolit  menjadi  padatan. Sebelumnya elektroda Al yang telah dipotong  berukuran  1  cm  x  1,25  cm  dicuci dengan  menggunakan  aquades  selama  15 menit  dan  alkokol  70%  selama  30  menit, dengan  menggunakan ultrasonic  bath ,  dan selanjutnya Al dikeringkan.
Langkah  terakhir  adalah  melakukan karaktersasi I-V dengan menggunakan
Keithley  617.  Cahaya  yang  digunakan adalah dari lampu halogen dengan intensitas 25600  lux.  Elektroda-elektroda  pada  lapisan sampel dihubungkan dengan I-V meter. Jika diberikan  tegangan,  sampel  yang  telah
dibuat  akan  memberikan  respon  arus.  Hasil dari  pengukuran  ini  adalah  kurva  arus terhadap tegangan.
Gambar  1. Struktur  sel  surya  berbasis  TiO 2 dan logam Fe

## HASIL DAN DISKUSI

## Absorbansi TiO 2
Hasil
karakterisasi UV-Vis memberikan hasil  spektrum  absorbansi  TiO 2 seperti pada gambar 2. Dari gambar tersebut dapat  dilihat  bahwa  rentang  absorbsi  TiO 2 berada  pada  rentang  panjang  gelombang 190 –820  nm.  Pada  rentang  panjang gelombang  tersebut  TiO 2 mampu  menyerap energi  foton  yang  diberikan  dari  daerah ultraviolet sampai cahaya tampak.
Gambar 2. Spektrum Absorbsi TiO 2 (Hasil karakterisasi UV-Vis)
0,82 0,85 0,88 0,91 0,94 0,97 1,00 1,03 1,06 1,09 150 250 350 450 550 650 750 850 a b s o rb a n c e ( /c m ) lambda (nm)

## Struktur Morfologi dan Komposisi Bahan
Karakterisasi SEM
dan EDX
dilakukan  untuk  mengetahui  morfologi  dan komposisi  bahan  pada  lapisan.  Gambar  3 memperlihatkan morfologi permukaan
lapisan  pasta  TiO 2 yang  dideposisikan  pada
ITO.  Dari  gambar  tersebut  juga  diperoleh bahwa  ukuran  partikel  TiO 2 sekitar  180  nm.
Berdasarkan  Ryan  O’Hyre,  dkk  [5],  ukuran partikel TiO 2 sebesar 50-200 nm mendukung performansi  sel  surya  menjadi  lebih  baik.
Sedangkan  gambar  4  menunjukkan  hasil EDX  lapisan  TiO 2. Dari  hasil  EDX  diperoleh komposisi  bahan  yang  terkandung  dalam lapisan  TiO 2 adalah  unsur  O  sebanyak 45,75% dan unsur Ti 54,25%.
Gambar  3. Foto  SEM  pasta  TiO 2 yang dideposisikan pada ITO dengan teknik printing Tabel 1. Unsur yang terkandung dalam lapisan Fe hasil EDX Elemen % Massa O 47,42 Na 6,59 Mg 2,02 Si 28,71 Cl 2,59 Ca 4,36 Fe 8,31
Gambar 4 . Hasil EDX lapisan TiO 2
Gambar  5  memperlihatkan  morfologi permukaan  lapisan  Fe  yang  dielektroplating pada  ITO.  Partikel  Fe  berbentuk  seperti serabut-serabut  kecil  yang  tidak  beraturan dan  agak  panjang.  Dari  hasil  EDX  (gambar 6)  diketahui  bahwa  ada  unsur-unsur  lain, selain  unsur  Fe,  yang  terdeposisi  pada  ITO (tabel 1). Hal ini disebabkan oleh FeCl 2 yang digunakan bukan FeCl 2 murni.
Gambar  5. Foto  SEM  logam  Fe  yang terdeposisi  pada  ITO  dengan metode elektroplating
Gambar 7 memperlihatkan morfologi permukaan lapisan TiO 2 yang telah dielektroplating  dengan  Fe  pada  tegangan 12 Volt selama 15 detik. Sedangkan Gambar 8  memperlihatkan  morfologi  permukaan
lapisan  TiO 2 yang  telah  dielektroplating dengan Fe pada tegangan 12 Volt selama 20 menit.  Morfologi  permukaan  keduanya  tidak menunjukkan  perbedaan  yang  signifikan, tetapi  jika  melihat  hasil  EDX  akan  tampak bahwa  terdapat  perbedaan  jumlah  Fe  yang terkandung  dalam  keduanya.  Lapisan  TiO 2 yang  dielektroplating  selama  15  detik memiliki  kandungan  Fe  yang  lebih  sedikit daripada  lapisan  TiO 2 yang  dielektroplating selama  20  detik  (seperti  pada  tabel  3).  Hal itu  dapat  ditentukan  dari  hasil  EDX  pada
Gambar 9 dan 10.
Gambar 6. Hasil EDX lapisan Fe
Gambar  7. Foto  SEM  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating Fe dengan tegangan12 V selama 15 detik
Gambar  8. Foto  SEM  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating Fe dengan tegangan  12  V              selama  20 detik
Gambar  9. Hasil  EDX  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating Fe dengan
tegangan 12 V selama 15 detik.
Gambar  10. Hasil  EDX  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating  Fe  dengan tegangan  12  V  selama  20 detik.
Tabel  2. Unsur  yang  terkandung  dalam lapisan  TiO 2 yang  dielektroplating Fe (hasil EDX) Elemen % Massa Sampel of 15 detik Sampel 20 detik O 51,56 51,56 Ti 42,93 36,16 Fe 5,51 12,28
Performansi Sel Surya Berbasis TiO 2

## dengan Penyisipan Logam Fe
Melalui karakterisasi I-V dapat ditentukan  performansi  sel  surya  yang  telah dibuat.  Sebagai  sampel  kontrol  adalah  sel surya dengan lapisan
TiO 2 tanpa elektroplating Fe. Gambar 11
memperlihatkan  karakteristik  I-V  sel  surya kontrol  pada  penyinaran  dengan  intensitas 25.600  lux.  Dari  kurva  karakteristik  tersebut diperoleh  nilai  I sc 0,54µA,  V oc 0,16Volt,  FF
0,3906 dan efisiensi 0,001%.
Gambar 11. Karakteristik I-V sel surya kontrol Gambar 12, 13 dan 14
memperlihatkan  karakteristik  I-V  sel  surya dengan lapisan TiO 2 yang dielektroplating Fe dengan tegangan 12 Volt, selama 5, 10, dan 20 detik. Dari kurva karakteristik I-V tersebut
diperoleh nilai I sc , V oc, FF, dan efisiensi untuk masing-masing  sel  surya,  seperti pada  tabel 3. Dari tabel tersebut terlihat bahwa semakin lama waktu elektroplating, semakin meningkat efisiensinya. Sehingga disimpulkan bahwa untuk tegangan elektroplating dan konsentrasi larutan elektrolit  (FeCl 2 )  yang  sama,  efisiensi  akan meningkat  jika  waktu  elektroplating  semakin lama. Hal ini sesuai dengan hasil EDX (tabel 2) bahwa semakin lama waktu elektroplating maka  semakin  banyak  Fe  yang  terkandung pada lapisan TiO 2 .
Gambar  12. Karakteristik  I-V  sel  surya dengan  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating  Fe  dengan tegangan  12  V  selama  5 detik.
Gambar  13. Karakteristik  I-V  sel  surya dengan  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating dengan
tegangan  12  V  selama  10 detik.
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 A ru s(µ A ) Tegangan (Volt) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Aru s (µ A) Tegangan (Volt) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Aru s (µ A) Tegangan (Volt)
Gambar  14. Karakteristik  I-V  sel  surya dengan  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating dengan tegangan  12  V  selama  20 detik.
Tabel  3 .  Performansi  sel  surya  dengan lapisan TiO 2 yang dielektroplating dengan  tegangan 12 V
Waktu Elektro- plating (detik) Short Circuit Current I sc (µA) Open Circuit Voltage V oc (Volt) Fiil Factor (FF) Efisie nsi η (%) 5 15,5 1 0,185 0,077 10 32 1,1 0,208 0,195 20 36 1,15 0,189 0,209 Gambar 15, 16 dan 17
memperlihatkan  karakteristik  I-V  sel  surya dengan lapisan TiO 2 yang dielektroplating Fe selama  15  detik  dengan  tegangan  6,  9  dan 12  Volt.    Dari  kurva  I-V  tersebut  diperoleh nilai  I sc ,  V oc, FF,  dan efisiensi  untuk  masing- masing  sel  surya,  seperti  pada  table  4.  Dari tabel  tersebut  terlihat  bahwa  semakin  tinggi tegangan  elektroplating,  semakin  meningkat efisiensinya.  Sehingga  disimpulkan  bahwa untuk  waktu  elektroplating  dan  konsentrasi larutan elektrolit (FeCl 2 ) yang sama, efisiensi akan  meningkat  jika  tegangan  elektroplating semakin  tinggi.  Hal  ini  disebabkan  semakin tinggi  tegangan  elektroplating,  semakin
mudah  terjadi  ionisasi pada  larutan elektrolit (FeCl 2 ), sehingga semakin banyak logam Fe yang menyisip pada lapisan TiO 2 .
Gambar  15. Karakateristik  I-V  sel  surya dengan lapisan TiO 2 yang dielektroplating selama 15 detik dengan tegangan 6 Volt
Gambar  16 .  Karakteristik  I-V  sel  surya dengan lapisan TiO 2 yang dielektroplating selama 15 detik dengan tegangan 9 Volt
Gambar  17. Karakateristik  I-V  sel  surya dengan  lapisan  TiO 2 yang dielektroplating selama 15 detik dengan tegangan 12 Volt
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 A ru s (µ A ) Tegangan (Volt) 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 A ru s (µ A ) Tegangan (volt) 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 A ru s (µ A ) Tegangan (volt) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 A ru s (µ A )
Tegangan (volt)
Tabel 6. Performansi sel surya dengan lapisan TiO 2 yang dielektroplating
Fe selama 15 detik Tegangan elektroplating (Volt) Short Circuit Current I sc (µA) Open Circuit
Voltage V oc (Volt) Fiil Factor (FF) Efisiensi η (%) 6 6 1 0,242 0,039 9 8,5 1,2 0,147 0,040 12 33,41 1 0,194 0,173
Efisiensi  sel  surya  meningkat  ketika
lapisan  TiO 2 dielektroplating  dengan  Fe, yang  berarti  ada  atom-atom  Fe  yang menyisip  diantara  partikel-partikel  TiO 2. Hal ini  bisa  dijelaskan  seperti  gambar  1,  ketika sel  surya  diradiasi  dengan  cahaya  maka akan  terjadi  generasi  (timbulnya  pasangan elektron-hole).  Foton  yang  diserap  oleh elektron  pada  TiO 2 menyebabkan  elektron tereksitasi  dari  keadaan  dasar  ke  keadaan tereksitasi dan selanjutnya elektron mengalir menuju  ITO  melalui  lapisan  kontak  logam
(Fe).  Selanjutnya  elektron  mengalir  melalui beban  luar  menuju counter elektroda  dan akan diterima oleh elektrolit. Sedangkan hole yang  terbentuk  akan  berdifusi  menuju elektrolit.  Hal  ini  berarti  elektron  yang diterima elektrolit akan berekombinasi
dengan  hole  membentuk  pembawa  muatan negatif [6].
Lapisan  TiO 2 yang  dielektroplating
dengan tegangan yang lebih besar
(konsentrasi  larutan  elektrolit  dan  waktu elektroplating sama) atau waktu elektroplating  yang  lebih  lama  (konsentrasi larutan elektrolit dan tegangan elektroplating
sama)  akan  mengandung  unsur  Fe  yang lebih  banyak.  Sehingga  memiliki  lapisan kontak  logam  yang  lebih  banyak  juga. Lapisan  kontak  logam  ini  menjadi  lintasan bagi  elektron  untuk  mengalir  lebih  cepat menuju ITO [7].

## SIMPULAN
Peningkatan efisiensi sel surya berbasis  TiO 2 dapat  dilakukan  dengan menyisipkan  logam  Fe  pada  lapisan  TiO 2.
Penyisipan  logam  Fe  dapat  dilakukan dengan  metode  elektroplating.  Fe  yang menyisip  pada  lapisan  TiO 2 membentuk lapisan  kontak  logam  yang  menjadi  lintasan bagi  elektron  untuk  mengalir  lebih  cepat menuju ITO.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian  ini  didanai  oleh Asahi Glass  Foundation  2010 dan Hibah  Strategis
Nasional  DIPA-ITB  (Bandung  Institute  of Technology) 2010 .

## PUSTAKA
1.  Anh  Tuan  Vu,  Quoc  Tuan  Nguyen,  Thi Hai  Linh  Bui,  Manh  Cuong  Tran,  Tuyet Phuong  Dang  and  Thi  Kim  Hoa  Tran, Adv. Nat.:Nanosci. Nanotechnol. 1 (2010) 015009(4pp).
2.  G.  Phani,  G.  Tulloch,  D.  Vittorio,  dan  I.
Skyrabin, Renewable  Energy 22  (2001) 303-309.
3.  Cam  Loc  Luu,  Quoc  Tuan  Nguyen  and Si  Thoang  Ho, Adv.  Nat.:Nanosci. Nanotechnol. 1 (2010) 015008 (5pp).
4.  M.  Abdullah,  I.  Nurmawarti,  H. Subianto, Khairurrijal and H.
Mahfudz, J. Nano Saintek. 3 (2010).
5. B.R. O’Hayre,
M. Nanu, J.
Schoonman,  A.  Goossens,  Q.  Wang
and  M.  Grätzel, Adv.  Funct.  Mater. 16 (2006) 1566-1576.
6.  F.  Belhocine-Nemmar,  MS.  Belkaid D.  Hatem  and  O  Boughias, World Academy  of  Science,  Engineering and Technology . 64 (2010) 132-134.
7.  L. Antonio and S. Hegedus, Handbook of Photovoltaic and
Engineering , Inggris: Wiley, 2003.