Pembuatan DSSC dengan fotoanoda dari TiO 2 dan β-karoten sebagai sensitizer dan Analisis kurva I-V

## T Suprayogi, D Maftuha, M Diantoro
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang, Jl. Semarang No. 5 Malang, 65145, Indonesia
* E-mail: markus.diantoro.fmipa@um.ac.id, thathityogi@gmail.com

## 1. Pendahuluan
Pesatnya  kemajuan  teknologi,  sains,  dan  industri,  serta  pertambahan  jumlah  penduduk  membuat kebutuhan  energi  listrik  terus  meningkat.  Sekitar  87%  konsumsi  energi  dunia  berasal  dari  fosil (minyak, gas alam, dan batu bara) yang merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui dan  berdampak  negatif  terhadap  lingkungan[1].  Oleh  karena  itu,  pengembangan  energi  listrik  dari sumber  daya  alam  lain  yang  ramah  lingkungan  menjadi  penting  dilakukan,  seperti  pengembangan energi listrik dari matahari [2]. Secara teknis energi matahari dapat dikonversi menjadi energi listrik melalui  mekanisme photovoltaic [3] . Salah  satu  pemanfaatan  mekanisme photovoltaic adalah  sel surya.
Dye sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya yang diusulkan pertama kali oleh Michael Gratzel dan O’regan pada tahun 1991 [4]. Pada umumnya DSSC terdiri dari fotoanoda, dye sebagai fotosensitizer,  elektrolit  redoks,  dan  elektroda  lawan  [5].  Perkembangan  riset  terbaru  menunjukkan bahwa DSSC mampu memiliki efisiensi tertinggi sebesar 11,9 ± 0,4 % [3]. Sel surya berbasis DSSC memberi peluang baru untuk dikembangkan karena proses fabrikasinya yang sederhana, biaya murah, serta berbahan dasar organik [6], [7].
http://journal2.um.ac.id/index.php/jpse EISSN: 2541-2485
Received 23 Oktober 2017
Revised 30 Desember 2017
Accepted for Publication
30 Desember 2017
Published
10 Januari 2018 This work is licensed under a Creative Commons
Attribution-ShareAlike 4.0 International License .

## Abstract
Solar  cell  based  on  DSSC  has  good  opportunities  to  be  developed  because  of  simple fabrication method, low cost, and organic base. DSSC was fabricated by  β-carotene from plant and TiO 2 as photoanode. DSSC was characterized by I-V  measurement under 1000 W/m 2 illumination.  Nonlinear  fit  using  Shockley  equation  has  been  done  to  get  all parameter of solar cell, i.g n of  3,00; R s of  76,79 Ω cm -1 , R sh of 7,15 kΩ cm 2 , I o of 0,57 µA , I sc of 0,13 mA and V oc of 0,41 V. Energy conversion efficient of DSSC of 0,091%.
Keyword: DSSC, photoanode, TiO 2 ,  β-carotene.

## Abstrak
Sel  surya  berbasis  DSSC  memiliki  peluang  untuk  dikembangkan  karena  proses fabrikasinya yang sederhana, biaya murah, serta berbahan dasar organik. Pembuatan DSSC dengan memanfaatkan pigmen tumbuhan murni seperti β-karoten dan menggukanan TiO 2 sebagai  fotoanoda.  Karaterisasi  DSSC  dilakukan  melalui  pengukuran  I-V  dibawah pencahayaan  1000  W/m 2 ,  dengan  analisis  dilakukan  melalui fitting  nonlinier pada persamaan Shockley untuk mendapatkan seluruh parameter sel surya seperti n sebesar 3,00; R s sebesar 76,79 Ω cm -1 , R sh sebesar 7,15 kΩ cm 2 , I o sebesar 0,57 µA , I sc sebesar 0,13 mA dan V oc sebesar 0,41 V. Nilai efisiensi konversi energi dari DSSC sebesar 0,091%.
Kata Kunci : DSSC, fotoanoda, TiO 2 , β-karoten.

## JPSE
(Journal of Physical Science and Engineering)
DSSC menggunakan oksida logam sebagai fotoanoda seperti ZnO [8], SnO 2 [9] , dan TiO 2 [10]. Namun  pada  prakteknya,  TiO 2 banyak  digunakan  sebagai  fotoanoda  karena  memiliki  rekombinasi interfasial elektron yang cepat dibandingkan dengan ZnO dan SnO 2 [11]. Sejauh ini, telah dilakukan pengembangan DSSC menggunakan dye dari ekstrak tumbuhan dengan fotoanoda menggunakan TiO 2 seperti dye dari ekstrak Blue pea dengan efisiensi sebesar 0,05%, buah naga dengan efisiensi sebesar 0,22%, Lithospermum dengan efisiensi sebesar 0,03%, dan wortel dengan efisiensi sebesar 0,00124% [12],  [13].  Namun  sayangnya,  efisiensi  yang  dicapai  masih  relatif  kecil.  Oleh  karena  itu,  perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan pigmen murni seperti beta karoten sebagai dye untuk DSSC.
Karakterisasi I-V dilakukan pada DSSC untuk menentukan besar effisiensi konversi energi yang dihasilkan. Selain itu, hasil karakterisasi I-V juga dapat menentukan parameter intrinsik dalam DSSC melalui  pemodelan  rangkaian  setara  dengan  model  diode  tunggal  [14].  Berdasarkan  model  diode tunggal untuk DSSC dilakukan fitting nonlinier menggunakan persamaan Shockley. Sehingga dapat diketahui parameter intrinsik sel surya seperti hambatan dalamnya. Oleh karena itu, analisis kurva I-V perlu dilakukan untuk mengetahui performa dari DSSC yang dihasilkan.

## 2. Metode Penelitian
Metode pembuatan DSSC dimulai dengan membuat pasta TiO 2 (P25, Sigma Aldrich) yang dilarutkan dalam larutan (akuades, SDS, acetyl aceton, dan PEG 6000). Setelah itu pasta TiO 2 dilapiskan pada substrat  ITO-Glass  (1×1  cm 2 )  dengan  luas  daerah  aktif  0,5×0,5  cm 2 dengan  metode slip  casting sebagai lapisan fotoanoda. Lapisan TiO 2 /ITO-Glass dipanaskan pada suhu 450 °C selama 30 menit. Lapisan TiO 2 /ITO-Glass direndam dalam larutan dye yang mengandung β -karoten dan etanol selama 24 jam. Pembuatan elektroda lawan dengan karbon pada substrat ITO-glass dengan luas daerah aktif 0,5×0,5 cm 2 . DSSC disusun membentuk sandwich dengan larutan elektrolit I - /I 3 - .
Karakterisasi absorbansi dengan UV-Vis pada lapisan TiO 2 /ITO-Glass. Karakterisasi I-V meter dengan kondisi gelap dan pencahayaan 1000 W/m 2 pada DSSC.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Absorbsi  panjang  gelombang  cahaya  pada film semikonduktor  berhubungan  dengan  energi  yang dibutuhkan elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi [15]. Transisi langsung pada elektron berpengaruh pada energi yang dibutuhkan sesuai dengan persamaan 1 [16].
    2 / 1 Eg h A h      , (1)
dimana α merupakan koefisien absorbsi, h υ merupakan energi foton, Eg merupakan band gap optik, dan A merupakan  konstanta.  Berdasarkan  persamaan  1  dibuat  grafik  hubungan  antara h υ terhadap ( α h υ ) 2 pada film TiO 2 /ITO-Glass  dengan  nilai band  gap berhubungan  dengan  garis  perpotongan terhadap sumbu x [17]. Band gap film TiO 2 /ITO-Glass didapatkan nilai sebesar 3,35 eV seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
DSSC  yang  dibentuk  struktur sandwich dengan  fotoanoda  komposit  TiO 2 -PANI/ITO-Glass,  β- karoten  sebagai sensitizer ,  larutan  elektrolit,  dan  karbon/ITO-Glass  sebagai  elektroda  lawan. Karakterisasi  I-V  dilakukan  untuk  mengetahui  karakter  DSSC  sebagai  sambungan  p-n  dan  efisiensi yang dihasilkan.  Gambar 2. menunjukkan grafik karakteristik I-V pada DSSC dalam kondisi gelap. Kurva I-V pada Gambar 2  menunjukkan kurva karakteristik catu maju pada sambungan p-n seperti pada dioda [18].
Grafik karateristik I-V pada DSSC dengan pencahayaan 1000 W/m 2 ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem  DSSC  telah  berhasil  dibentuk  ditandai  dengan  adanya  kurva  yang  melewati  kuadran  I  [19]. Hal ini menandakan adanya konversi energi foton menjadi listrik.
Gambar 1. Grafik fitting penentuan Eg film TiO 2 /ITO-Glass
Gambar 2 Grafik I-V DSSC pada kondisi gelap
Gambar 4. Rangkaian setara sel surya dengan model diode tunggal
Analisis kurva I-V dilakukan melalui fitting nonlinier dengan bantuan originlab. Salah satu teori untuk menjelaskan karakteristik kurva I-V tunggal sel surya melalui pemodelan rangkaian setara pada model diode tunggal [14], [20], [21] seperti pada Gambar 4.
Untuk  menentukan  parameter-parameter  yang  berpengaruh  dalam  sel  surya  digunakan Persamaan Shockley untuk model dioda tunggal seperti pada Persamaan 2 [14].
  sh s B s ph R I R V T nk I R V q I I I                   1 exp 0 , (2)
dimana I ph merupakan  arus  akibat  adanya  foton, I 0 merupakan  arus  saturasi  dioda, R s merupakan hambatan seri, R sh merupakan hambatan paralel, q merupakan muatan elektron, n merupakan faktor idealitas diode, k B merupakan konstanta boltzman, dan T merupakan suhu.
Parameter-parameter pada Persamaan 2 berhubungan dengan karakteristik internal dalam struktur sel surya seperti R s merepresentasikan hambatan dalam fotoanoda yang berkaitan dengan antarmuka terhadap  substrat  konduktif  [22]. R sh merepresentasikan  hambatan  dalam  sambungan  p-n  sel  surya [23]. Parameter R s dan R sh berhubungan dengan nilai I sc dan V oc yang dalam sel surya. Semakin rendah nilai R s maka I sc akan  meningkat  dan  semakin  besar  Rsh  maka V oc akan  akan  menurun  [23],  [24]. Sehingga  banyak  dilakukan  penelitian  untuk  mengoptimalkan  kinerja  sel  surya  untuk  mendapatkan effisiensi yang besar dengan memvariasi nilai Rs [22] dan Rsh [25], [26].
Grafik  karakteristik  I-V  pada  DSSC  dapat  dimodelkan  sebagai  rangkaian  setara  pada  model dioda  tunggal  seperti  pada  Gambar  4.  Untuk  menentukan  parameter-parameter  yang  berpengaruh dalam  sel  surya  digunakan  persamaan  Shockley  untuk  model  dioda  tunggal  melalui  persamaan  2 didapatkan hasil fitting seperti pada Tabel 1.
Gambar 4. Analisis kurva I-V DSSC dengan fitting nonlinier menggunakan persamaan Shockley untuk model diode tunggal
Tabel 1. Parameter hasil fitting nonlinier kurva I-V DSSC Parameter DSSC I 0 (µA) 0,57 N 3,00 R s (Ω cm 2 ) 76,79 R sh (kΩ cm 2 ) 7,15 I ph (mA) 0,13 T (K) 300 I sc (mA) 0,13 V oc (V) 0,41 Pmax (W/m 2 ) 0,91 FF 0,4324 Effisiensi (%) 0,091
Berdasarkan  hasil  fitting  yang  dihasilkan  didapatkan  nilai  hambatan  seri  yang  cukup  besar  yang berpengaruh  pada  kecilnya  nilai  konversi  energi  yaitu  0,091%,  namun  nilai  effisiensi  lebih  besar dibanding dengan DSSC menggunakan beta-karoten dari ekstrak tumbuhan sebesar 0,00124% [13].

## 4. Kesimpulan
Film TiO 2 /ITO-Glass  memiliki band  gap yang  lebar  sebesar  3,35  eV.  Sistem  DSSC  dengan menggukan  TiO 2 sebagai  fotoanoda  dan  beta  karoten  sebagai  sensitizer  telah  berjalan  dengan  hasil konversi energi sebesar 0,091%. Analisis kurva I-V DSSC menunjukkan adanya hambatan yang besar dalam sistem DSSC tersebut sebesar R s 76,78 Ω m 2 dan R sh 7,145 kΩ m 2 .

## Ucapan Terima Kasih
Terima  kasih  disampaikan  kepada  semua  pihak  yang  telah  membantu  dalam  penyusunan  naskah artikel ini.

## Daftar Rujukan
[1] E.  Gençer  and  R.  Agrawal,  “A  commentary  on  the  US  policies  for  efficient  large  scale renewable energy storage systems: Focus on carbon storage cycles,” Energy  Policy ,  vol.  88, pp. 477–484, 2016.
[2] M. Arshad and S. Ahmed, “Cogeneration through bagasse: A renewable strategy to meet the future energy needs,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 54, pp. 732–737, 2016.
[3] M.  A.  Green, K.  Emery,  Y.  Hishikawa, W. Warta, and  E.  D.  Dunlop,  “Solar cell  efficiency tables (version 46),” Prog. Photovoltaics Res. Appl. , vol. 23, no. 7, pp. 805–812, 2015.
[4] B.  O’regan  and  M.  Grätzel,  “A  low-cost,  high-efficiency  solar  cell  based  on  dye-sensitized colloidal TiO2 films,” Nature , vol. 353, no. 6346, pp. 737–740, 1991.
[5] M. Grätzel, “Dye-sensitized solar cells,” J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. , vol. 4, no. 2, pp. 145–153, 2003.
[6] K.-H.  Park,  S.  J.  Kim,  R.  Gomes,  and  A.  Bhaumik,  “High  performance  dye-sensitized  solar cell by using porous polyaniline nanotubes as counter electrode,” Chem. Eng. J. , vol. 260, pp. 393–398, 2015.
[7] H.  M.  Upadhyaya,  S.  Senthilarasu,  M.-H.  Hsu,  and  D.  K.  Kumar,  “Recent  progress  and  the status  of  dye-sensitised  solar  cell  (DSSC)  technology  with  state-of-the-art  conversion efficiencies,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells , vol. 119, pp. 291–295, 2013.
[8] Y.  Shi et  al. ,  “Solid-State  Synthesis  of  ZnO  Nanostructures  for  Quasi-Solid  Dye-Sensitized Solar Cells with High Efficiencies up to 6.46%,” Adv. Mater. , vol. 25, no. 32, pp. 4413–4419, 2013.
[9] H.-R.  An,  H.  An,  D.-H.  Riu,  and  H.-J.  Ahn,  “Improved  Photovoltaic  Properties  Of  Dye- Sensitized  Solar  Cells  Using  Laser  Patterned  F-Doped  SnO2  Thin  Films,” Arch.  Metall. Mater. , vol. 60, no. 2, pp. 1241–1245, 2015.
[10] A. A. Khan, J. Islam, S. G. Ansari, H. Fouad, and Z. A. Ansari, “Effect of neodymium on the photoconversion  efficiency  of  TiO2  based  dye  sensitized  solar  cells,” J.  Mater.  Sci.  Mater. Electron. , vol. 26, no. 3, pp. 1737–1742, 2015.
[11] K.-N. Li, Y.-F. Wang, Y.-F. Xu, H.-Y. Chen, C.-Y. Su, and D.-B. Kuang, “Macroporous SnO2 Synthesized via a Template-Assisted Reflux Process for Efficient Dye-Sensitized Solar Cells,” ACS Appl. Mater. Interfaces , vol. 5, no. 11, pp. 5105–5111, 2013.
[12] M. R. Narayan, “Review: Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 16, no. 1, pp. 208–215, 2012.
[13] R. Suryana, Khoiruddin, and A. Supriyanto, “Beta-carotene dye of daucus carota as sensitizer on dye-sensitized solar cell,” Mater. Sci. Forum , vol. 737, pp. 15–19, 2013.
[14] K.  I.  Ishibashi,  Y.  Kimura,  and  M.  Niwano,  “An  extensively  valid  and  stable  method  for derivation  of  all  parameters  of  a  solar  cell  from  a  single  current-voltage  characteristic,” J. Appl. Phys. , vol. 103, no. 9, pp. 2–7, 2008.
[15] M.  Caglar,  S.  Ilican,  and  Y.  Caglar,  “Influence  of  dopant  concentration  on  the  optical properties of ZnO: In films by sol–gel method,” Thin Solid Films , vol. 517, no. 17, pp. 5023– 5028, Jul. 2009.
[16] J. I. Pankove, Optical processes in semiconductors . Courier Corporation, 2012.
[17] A.  H.  Kurda,  Y.  M.  Hassan,  and  N.  M.  Ahmed,  “Controlling  Diameter,  Length  and Characterization of ZnO Nanorods by Simple Hydrothermal Method for Solar Cells,” World J. Nano Sci. Eng. , vol. 5, no. 1, p. 34, Feb. 2015.
[18] D. Sengupta, P. Das, B. Mondal, and K. Mukherjee, “Effects of doping, morphology and film- thickness  of  photo-anode  materials  for  dye  sensitized  solar  cell  application  –  A  review,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 60, pp. 356–376, Jul. 2016.
[19] K.  E.  Jasim,  “Solar  Cells  -  New  Approaches  and  Reviews,”  in Dye  sensitised  solar  cells— working principles, challenges and opportunities , InTech.
[20] A.  Ortiz-Conde,  F.  J.  García  Sánchez,  and  J.  Muci,  “New  method  to  extract  the  model parameters  of  solar  cells  from  the  explicit  analytic  solutions  of  their  illuminated  I-V characteristics,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells , vol. 90, no. 3, pp. 352–361, 2006.
[21] C. Zhang, J. Zhang, Y. Hao, Z. Lin, and C. Zhu, “A simple and efficient solar cell parameter extraction  method  from  a  single  current-voltage  curve,” J.  Appl.  Phys. ,  vol.  110,  no.  6,  p. 64504, Sep. 2011.
[22] J.  D.  Servaites,  S.  Yeganeh,  T.  J.  Marks,  and  M.  A.  Ratner,  “Efficiency  Enhancement  in Organic  Photovoltaic  Cells:  Consequences  of  Optimizing  Series  Resistance,” Adv.  Funct. Mater. , vol. 20, no. 1, pp. 97–104, Jan. 2010.
[23] N. Koide, A. Islam, Y. Chiba, and L. Han, “Improvement of efficiency of dye-sensitized solar cells based on analysis of equivalent circuit,” J. Photochem. Photobiol. A Chem. , vol. 182, no. 3, pp. 296–305, Sep. 2006.
[24] H. J. Snaith, L. Schmidt-Mende, M. Grätzel, and M. Chiesa, “Light intensity, temperature, and thickness  dependence  of  the  open-circuit  voltage  in  solid-state  dye-sensitized  solar  cells,” Phys. Rev. B , vol. 74, no. 4, p. 45306, Jul. 2006.
[25] J.-J. Huang, S.-P. Chiu, M.-J. Wu, and C.-F. Hsu, “Effect of titanium oxide compact layer in dye-sensitized solar cell prepared by liquid-phase deposition,” Appl. Phys. A , vol. 122, no. 11, p. 971, Nov. 2016.
[26] A.  Scuto et  al. , “Improvement of DSSC performance by voltage stress application,” in 2016 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS) , 2016, p. PV-3-1-PV-3-6.