ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 13 (3) (2010): 109 - 112
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Penggunaan Bunga Rosela ( Hibiscus Sabdariffa ) sebagai Zat Warna pada Dye Sensitized Solar Cell
Retno Adi Marwati a , Abdul Haris a , Gunawan a*
a Analytical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang 50275
* Corresponding author: gunawan@live.undip.ac.id
A r t i c l e   I n f o

## A b s t r a c t
Keywords:
Dye Sensitized Solar
Cell, TiO 2 , anthocyanin, Roselle flower
A research on the performance of Dye Sensitized Solar Cell on the LCD glass with the sensitizer of the roselle flower (Hibiscus sabdariffa) has been conducted. Construction of solar cells used was  a  sandwich  system.  The  opposite-graphite  electrode  was  placed  above  the  TiO 2 -colored roselle flower layer with an electrolyte put between the two electrodes. The characterization of solar  cells  was  tested  by  electronic  absorption  analysis  on  Impatiens  balsamina  L  flowers, scanning  Electron  Microscopy  (SEM),  X-ray  diffraction,  infrared  absorption  and  solar  cell potential  measurements.  The  maximum  wavelength  on  a  rosella  flower  was  515  nm.  The morphology of the TiO 2 thin layer surfaces at 20,000x and 40,000x magnifications showed a cavity-like surface of TiO 2 with a size ranging from 0.1 to 13 nm. The cross section of TiO 2 thin layer  displayed  homogeneous  layers  of  3  nm  thickness.  The  diffractogram  of  TiO 2 thin  layer presented the intensity of the diffraction pattern was quite high with the main peak at 2 θ at 25.41°; 37.91°; 48.16°; 55,19° and 62,83° with the basal spacings were 3.503 Å; 2.71 Å; 1.888 Å; 1.663 Å and 1.478Å respectively as anatase crystals with crystal size of 17.366 nm. Research of solar cell system with roselle dye with variation of immersion time for 24 hours and 1 hour each yielded  efficiency  value  of  0.00065%  with  current  0.035  x  10 -3 A,  voltage  of  0.509  V  and 0.00022% with current 0,028 x 10 -3 A and a voltage of 0.293 V.

## A b s t r a k
Kata kunci: Dye Sensitized Solar Cell, TiO 2 , antosianin, Bunga Rosela
Telah dilakukan penelitian tentang performansi Dye Sensitized Solar Cell pada kaca LCD dengan sensitizer dari  bunga  rosela ( Hibiscus sabdariffa ).  Konstruksi  sel surya  yang  digunakan  adalah sistem sandwich . Elektroda lawan-grafit diletakkan di atas lapisan TiO 2 – pewarna bunga rosela dengan elektrolit terletak di antara kedua elektroda tersebut. Karakterisasi sel surya dilakukan dengan analisis serapan elektronik pada bunga pacar air merah, Scanning Electron Microscopy (SEM),  difraksi  sinar  X,  serapan  inframerah,  dan  pengukuran  potensial  sel  surya.  Panjang gelombang maksimum pada bunga rosela sebesar 515 nm. Morfologi permukaan lapis tipis TiO 2 pada perbesaran 20.000x dan 40.000x menunjukkan permukaan TiO 2 yang beronggga-rongga dengan ukuran yang berkisar antara 0,1 - 13 nm. Tampang lintang lapis tipis TiO 2 menunjukkan lapis-lapis homogen dengan ketebalan 3 nm. Pada difraktrogram lapis tipis TiO 2 menunjukkan intensitas pola difraksi cukup tinggi dengan puncak utama pada 2 θ yaitu 25,41°; 37,91°; 48,16°; 55,19° dan 62,83° dengan jarak antar bidang ( d ) sebesar 3,503 Å; 2,371 Å; 1,888 Å; 1,663 Å dan 1,478 Å sebagai kristal anatase dengan ukuran kristal sebesar 17,366 nm. Penelitian sistem sel surya dengan rosela sebagai zat warna dengan variasi waktu perendaman yaitu 24 jam dan 1 jam masing-masing  menghasilkan  harga  efisiensi  sebesar  0,00065%  dengan  arus  0,035.10 -3 A, tegangan 0,509 V serta 0,00022% dengan arus 0,028.10 -3 A dan tegangan 0,293 V.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 13 (3) (2010): 109 – 112

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan akan energi dari tahun ke tahun semakin meningkat  seiring  dengan  pertumbuhan  jumlah penduduk.  Saat  ini  pemenuhan  kebutuhan  energi  baik dunia  maupun  Indonesia berasal  dari  energi  fosil. Pada penggunaan  energi  fosil  sebagai  bahan  bakar  akan menghasilkan Gas Rumah Kaca (GRK) yang merupakan salah  satu  penyebab Global  warming .  Sehingga  perlu adanya energi alternatif yang bersifat terbaharukan yang dapat menggantikan energi fosil dan bebas emisi. Energi terbaharukan tersebut antara lain adalah energi surya [1].
Dye-sensitized solar cell (DSSC) yang merupakan sel surya  generasi  ketiga,  diperkenalkan  pertama  kali  oleh Michael Gratzel dan Brian O’Regan pada tahun 1991 dan dikenal  dengan  nama  Sel  Gratzel  [2].  Pada  DSSC, semikonduktor  hanya  digunakan  sebagai  pemisah muatan, dan fotoelektron diperoleh dari zat warna yang sensitif terhadap cahaya. Selain itu, pemisahan muatan tidak  terjadi  dengan  sendirinya  oleh  semikonduktor, tetapi  dibantu  oleh  peranan  elemen  ketiga,  yakni elektrolit, yang menghubungkan keduanya. Keunggulan DSSC  diantaranya  mampu  bekerja  pada  kondisi  cahaya yang  sedikit,  sehingga dapat  bekerja  optimal  walaupun dalam  kondisi  berawan.  Keuntungan  lain  yang  dimiliki oleh  DSSC  adalah  harga  yang  relatif  lebih  murah  dan proses pembuatan yang lebih mudah, meskipun efisiensi yang dihasilkan masih dibawah sel surya berbasis silikon [1].
Penelitian yang dilakukan Septina dkk. [3] mengenai pembuatan  prototype  solar  cell  murah  dengan  bahan organik-anorganik  ( Dye-sensitized solar  cell ). Dye sensitized yang digunakan adalah bahan organik sejenis pewarna  antosianin  dari  ekstrak  buah  delima  dan semikonduktor  nanopori  TiO 2 yang  disintesis  dengan metoda sol-gel. Penggunaan zat warna yang peka cahaya mempunyai  pita  serapan  lebar  pada  konjungsi  dengan film  oksida  yang  memiliki  morfologi  nanokristal memungkinkan  untuk  menangkap  fraksi  sinar  dalam jumlah banyak.
Penelitian  yang  dilakukan  Wongcharee dkk. [4] mengenai dye sensitized (Pewarna peka terhadap cahaya) menggunakan ekstrak bunga rosela dan bunga ercis biru dalam pembuatan sel surya. Sensitisasi dilakukan dengan menghubungkan  interaksi  antara  pewarna  dan permukaan TiO 2 saat penyerapan cahaya. Pada ekstraksi zat  warna  dilakukan  variasi  temperatur  yaitu  25°,  50°, 75°  serta  100°C  dengan  pelarut  0,1  M  HCl.  Hasil  variasi temperatur  diperoleh  pada  suhu  50°C  merupakan temperatur  optimum  untuk  ekstraksi  rosela  dengan efisiensi 0,52%.
Rosela  ( Hibiscus  sabdariffa )  termasuk  famili Malvaceae merupakan  tanaman  tropis  yang  sekarang banyak tumbuh di Indonesia. Tumbuhan ini menghasilkan  kelopak  bunga  yang  dapat  digunakan untuk membuat selai, agar-agar dan jus [5]. Penyelidikan fitokimia  terhadap  tanaman  ini  menunjukkan  adanya senyawa  fenol,  antosianin,  flavonol.  Kelopak  bunganya mengandung  pigmen  merah  dari  empat  antosianin termasuk  dephinidin  3-sambubiosida,  sianidin  3-
sambubiosida,  delphinidin  3-glukosida  dan  sianidin  3- glukosida.
Penggunaan  ekstrak  rosela  dalam  sel  surya tersensitizer dikarenakan kemampuan antosianin dalam ekstrak rosela untuk menyerap cahaya dan sebagai donor proton  dalam  proses  transfer  elektron.  Selain  itu, antosianin yang terdapat pada rosela memiliki ikatan =O atau OH sehingga mampu berikatan dengan kisi Ti 4+ pada permukaan semikonduktor TiO 2 [6].
Dalam  penelitian  ini,  ekstrak  pewarna  yang digunakan  yaitu  ekstrak  bunga  rosela.  Ekstraksi  rosela menggunakan  pelarut  metanol  :  asam  asetat  :  akuades dengan perbandingan volume 25 : 4 : 21. Pada penelitian ini  menggunakan  TiO 2 teknis  serta  surfaktan  yang dipakai  polivinilalkohol  (PVA).  Dari  penelitian  ini diharapkan  penggunaan  TiO 2 teknis  mampu  menyerap cahaya lebih banyak dengan adanya pewarna dari ekstrak rosela sehingga efisiensi yang dihasilkan cukup besar.

## 2. Metode Penelitian

## Ekstraksi Dye Ekstrak Bunga Rosela
Sebanyak 1,5 gram bunga rosela direndam ke dalam metanol:asam asetat:air (25:4:21 perbandingan volume) sebanyak 10 mL. Kemudian dimaserasi selama 24 jam dan wadahnya  ditutup  dengan  alumunium  foil  untuk meminimalkan kontak dengan cahaya [3].

## Pembuatan Pasta TiO
2
Polivinilalkohol (PVA) sebanyak 0,5 gram ditambahkan ke dalam 4,5 mL air, kemudian diaduk pada temperatur 80 o C. Suspensi ini berfungsi sebagai pengikat dalam  pembuatan  pasta.  Langkah  selanjutnya, penambahan  suspensi  tersebut  pada  bubuk  TiO 2 sebanyak  kurang  lebih  4,5  gam.  Kemudian  digerus dengan mortar sampai terbentuk pasta yang baik untuk dilapiskan.  Derajat  kekentalan  pasta  yang  optimal didapatkan  dengan  mengatur  banyaknya  pengikat  dan bila  diperlukan  dapat  ditambah  air  pada  campuran pengikat dan bubuk TiO 2 [3].

## Pembuatan Elektrolit-Polimer
Sebanyak 0,8 gram potassium iodida (KI) dilarutkan ke  dalam  10  mL  asetonitril  kemudian  diaduk, ditambahkan  0,127  gram  iod  (I 2 )  ke  dalam  larutan tersebut kemudian diaduk. Larutan disimpan dalam botol tertutup [3]. Sebanyak 7 gram PEG dilarutkan dengan 25 mL  kloroform  hingga  membentuk  gel  [7],  kemudian dimasukkan  5  tetes  larutan  yang  telah  dibuat sebelumnya.

## Pembuatan Counter Electrode
Sebagai  sumber  karbon  digunakan  grafit.  Grafit dilapiskan pada bagian penghantar kaca TCO. Kemudian dipanaskan  pada  temperatur  450 o C  selama  10  menit, setelah dingin digunakan sebagai counter electrode [3].

## Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya
Elektroda TiO 2 dibuat dengan melapiskan pasta TiO 2 pada  kaca  TCO  dengan  ukuran  luasan  2  x  1,5  cm 2 , kemudian dua buah elektroda ini direndam dalam larutan
dye masing-masing selama 1 jam dan 24 jam. Kemudian elektrolit  polimer  dilapiskan  pada  elektroda  TiO 2 yang telah disensitisasi dengan dye dan ditutup dengan counter electrode menjadi  struktur sandwich .  Sel  surya  tersebut kemudian  diukur  arus  dan  tegangannya  dengan multimeter dalam keadaan disinar cahaya matahari.
Karakterisasi  komponen  pembuatan  sel  surya meliputi analisis menggunakan Spektrofotometri UV-Vis dan  FTIR  pada  larutan dye ekstrak  bunga  rosela  untuk mengetahui panjang gelombang maksimum dan serapan gugus fungsional yang ada. Analisis SEM dan XRD pada lapis  tipis  TiO 2 yang  dihasilkan  untuk  mengetahui morfologi serta fase kristal TiO 2 .

## 3. Hasil Penelitian
Gambar 1. Spektra serapan UV- Vis ekstrak bunga rosela
Hasil  analisis  spektra  di  UV- Vis memperlihatkan bahwa  ekstrak  rosela  menyerap  foton  pada  panjang gelombang maksimum 515 nm dengan absorbansi 0,201. Spektrum serapan ekstrak antonsianin cukup lebar yang mencakup  dari  pita  biru  hingga  kuning  (450-570  nm) dengan  panjang  gelombang  maksimum  ( λ max )  pada sekitar  515  nm.  Hal  ini  menandakan  bahwa  pigmen antosianin  yang  ada  pada  bunga  rosela  dapat mengabsorb  cahaya  dengan  panjang  gelombang  pada daerah spektrum cahaya tampak
Karakterisasi Lapis Tipis TiO 2 dengan metoda SEM
a b
Gambar 2. Morfologi permukaan lapis tipis TiO2 perbesaran (a) 20.000 x (b) 40.000 x
Dari  hasil  SEM  lapis  tipis  TiO 2 disimpulkan  bahwa pada  pembesaran  yang  cukup  tinggi  terlihat  morfologi permukaan  lapis  tipis  TiO 2 yang  berongga-rongga berkisar  antara  0,1  nm  sampai  dengan  13  nm.  Semakin banyak  zat  warna  yang  teradsorp  secara  merata  pada
lapis  tipis  TiO 2 maka  semakin  banyak  jumlah  elektron yang  dihasilkan  sehingga  meningkatkan  arus  yang mengalir pada sistem sel surya.
Karakterisasi Lapis Tipis TiO 2 dengan XRD
Data difraktogram lapis tipis TiO 2 menunjukkan ada 3  puncak  yaitu  pada  2 θ yaitu  25,409°;  38,696°  dan 48,162° serta jarak antarbidang (d) sebesar 3,502, 2,325 dan 1,887 Ǻ . Berdasarkan difraktogram diperoleh bahwa puncak tertinggi 25,409 pada TiO 2 tersusun atas kristal anatase ,  sesuai database JCPDS  ( Joint  Committee  on Powder  Diffraction  Satndards )  12-1272  yaitu  25,28; 48,047; 37,80; 55,058; 62,686. Jarak antarbidang kristal anatase menurut database sebesar 3.42 Ǻ (JCPDS).
Gambar 3. Difraktogram lapis tipis TiO 2

## Karakterisasi Serapan Inframerah Rosela
Gambar 4. Spektra inframerah zat warna bunga rosela
Spektra  inframerah  zat  warna bunga  rosela  pada bilangan  gelombang  menunjukkan  pita  kuat  lebar  di daerah  bilangan  gelombang  3333,64  cm -1 merupakan gugus  OH  yang  dapat  membentuk  ikatan  hidrogen. Sedangkan  pita  tajam  1716,34  serta  1638,77  cm -1 menunjukkan rentangan gugus C=C dan C=O. Pita lebar 587,83  cm -1 menunjukkan  subtitusi  atom  karbon  jenuh pada posisi meta. Sehingga serapan pada daerah 1638,77 cm -1 yang  didukung  adanya  serapan  587,83  cm -1 menunjukkan  adanya  gugus  benzena  dengan  subtitusi pada  posisi  meta.  Adanya  gugus  C-O  ditunjukkan  oleh pita tajam pada daerah 1015,88 cm -1 . Serapan 1391,31 cm - 1 menunjukkan adanya gugus metil
Position [°2Theta] 20 30 40 50 60 70 80 Counts 0 100 400 900 1600 25. 409 [° ]; 3. 50255 [Å ] 37. 069 [° ]; 2. 42325 [Å ] 37. 912 [° ]; 2. 37131 [Å ] 38. 696 [° ]; 2. 32503 [Å ]
44. 547 [° ]; 2. 03228 [Å ] 48. 163 [° ]; 1. 88783 [Å ] 54. 015 [° ]; 1. 69629 [Å ] 55. 185 [° ]; 1. 66307 [Å ]
62. 825 [° ]; 1. 47795 [Å ] 68. 861 [° ]; 1. 36238 [Å ] 70. 403 [° ]; 1. 33627 [Å ] 75. 155 [° ]; 1. 26313 [Å ] 76. 148 [° ]; 1. 24912 [Å ] 80. 833 [° ]; 1. 18811 [Å ] 82. 786 [° ]; 1. 16497 [Å ]
87. 698 [° ]; 1. 11192 [Å ] TiO2
Karakterisasi Serapan Inframerah Lapis Tipis TiO 2 -zat warna
Gambar 5. Spektra inframerah lapis tipis TiO 2
Dari spektra inframerah lapis tipis TiO 2 gambar yang diperoleh  terdapat  beberapa  puncak  yang  muncul  pada daerah  bilangan  gelombang  3446.22,  1635.88,  1419.50 cm -1 serta  serapan  lebar  pada  691.89-549.88  cm -1 .  Pita kuat  lebar  pada  daerah  3446.22  cm -1 merupakan  gugus OH  renggang.  Sedangkan  pita  tajam  pada  1635.88  cm -1 terdapat gugus C=C. Pita lebar 691.89 cm -1 menunjukkan inti  benzena  mono  tersubstitusi  serta  pita  lebar  pada 1419.50  cm -1 menunjukkan  adanya  gugus  alkil.  Puncak yang  lebar  pada  541,83  cm -1 yang  muncul  pada  spektra inframerah diidentifikasi sebagai gugus Ti 4+ .
Penentuan Arus-Tegangan pada Sel Surya dengan Variasi Waktu Perendaman Rosella 1 Jam Serta 24 Jam
Tabel 1. Pengukuruan arus dan tegangan pada sel surya ekstrak bunga rosela
Hasil Pengukuran LCD (Perendaman rosela 24 jam) LCD (Perendaman Rosela 1 jam) V OC (V) 0,388 0,119 I SC A x 10 -3 0,035 0,029 V MPP (V) 0,128 0,064 I MPP (A) x 10 -3 0,015 0,013 FF 0,14 0,024 P MAX (W) 1,96 x 10 -6 8,2 x 10 -8 η (%) 0,00063% 0,000027%
Pengukuran  arus  dan  tegangan  pada  sel  surya  dari ekstrak  bunga  rosela  sebagai  zat  warna  dengan  variasi waktu perendaman ekstra rosela yaitu 1 jam dan 24 jam. Pada  perendaman  zat  warna  selama  24  jam  diperoleh arus dan tegangan lebih besar dari perendaman selama 1 jam.  Hal  ini  dikarenakan  semakin  lama  waktu perendaman  semakin  tinggi  konsentrasi  molekul
antosianin  yang  teradsorpsi  pada  permukaan  partikel TiO 2 sehingga penyerapan foton lebih besar dan jumlah injeksi elektron ke dalam partikel TiO 2 semakin banyak.

## 4. Kesimpulan
Telah dibuat sel surya dengan bunga rosela sebagai zat warna yang mampu menyerap energi matahari pada panjang gelombang maksimum 515 nm.
Karakterisasi  lapis  tipis  TiO 2 menghasilkan permukaan  TiO 2 tersusun  atas  kristal  anatase  dengan puncak  difraksi  25,  409 Ǻ serta  mempunyai  rongga sebesar 0,1-13 nm dan lapisan penampang lintang yang homogen dengan ketebalan 3 nm.
Arus  dan  tegangan  yang  dihasilkan  pada  sel  surya dengan  variasi  waktu  perendaman  rosela  selama  1  jam serta  24  jam masing masing  yaitu  0,029.10 -3 A,  0,119 V dan  0,035.10 -3 A,  0,388  V  dengan  efisensi  0,000027%, serta 0,00063%.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  S.  K.  Deb,  R.  Ellingson,  S.  Ferrere,  A.  J.  Frank,  B.  A. Gregg, A. J. Nozik, N. Park, G. Schlichthörl, A. Zaban, Photochemical solar cells based on dye-sensitization of nanocrystalline TiO2, AIP Conference Proceedings , 462, 1, (1999) 473-482 https://doi.org/10.1063/1.57993
[2]  Michael Grätzel, All surface and no bulk, Nature , 349,
(1991) 740 http://dx.doi.org/10.1038/349740a0
[3]  Wilman  Septina,  Dimas  Fajarisandi,  Dimas  Aditia, Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik  (Dye-sensitized  Solar  Cell),  in:
Laporan Akhir Penelitian Bidang Energi Penghargaan  P.T.  Rekayasa  Industri,  Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2007.
[4]  Khwanchit  Wongcharee,  Vissanu  Meeyoo,  Sumaeth Chavadej,  Dye-sensitized  solar  cell  using  natural dyes  extracted  from  rosella  and  blue  pea  flowers, Solar  Energy  Materials  and  Solar  Cells ,  91,  7,  (2007) 566-571 https://doi.org/10.1016/j.solmat.2006.11.005
[5]  Vilasinee  Hirunpanich,  Anocha  Utaipat,  Noppawan Phumala  Morales,  Nuntavan  Bunyapraphatsara, Hitoshi  Sato,  Angkana  Herunsale,  Chuthamanee Suthisisang,  Hypocholesterolemic  and  antioxidant effects  of  aqueous  extracts  from  the  dried  calyx  of Hibiscus sabdariffa L. in hypercholesterolemic rats, Journal  of  Ethnopharmacology ,  103,  2,  (2006)  252- 260 https://doi.org/10.1016/j.jep.2005.08.033
[6]  Andreas Kay, Michael Grätzel, Low cost photovoltaic modules  based  on  dye  sensitized  nanocrystalline titanium  dioxide  and  carbon  powder, Solar  Energy Materials  and  Solar  Cells ,  44,  1,  (1996)  99-117 https://doi.org/10.1016/0927-0248(96)00063-3
[7]  Akhiruddin  Maddu,  Kiagus  Dahlan,  Irmansyah, Pengembangan  Sel  Surya  Fotoelektrokimia,  in, Institut Pertanian Bogor, Bogor, 2003.