## PENGARUH PENYISIPAN LOGAM Fe DENGAN BERBAGAI VARIASI MASSA PADA LAPISAN AKTIF TITANIA TERHADAP STRUKTUR MORFOLOGI, SPEKTRUM ABSORBANSI, RESISTANSI DAN PERFORMANSI SEL SURYA

## THE INSERTION EFFECT OF Fe METAL WITH MASS VARIATION ON TITANIA ACTIVE LAYER TO THE MORPHOLOGICAL STRUCTURE, ABSORBANCE SPECTRA, RESISTANCE, AND SOLAR CELLS PERFORMANCE
Rita Prasetyowati*, Laila Katriani, and Windya Setya Ningtias
Jurusan Pendidikan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Yogyakarta
*email: Rita_P@uny.ac.id

## Diterima 12 Agustus 2016 disetujui 5 September 2016

## Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penyisipan logam Fe dengan berbagai variasi massa terhadap struktur morfologi lapisan titania, spektrum absorbansi lapisan titania, resistansi lapisan titania, dan performansi (tegangan) sel surya. Preparasi lapisan titania-besi (TiO 2 ) menjadi bentuk pasta dilakukan dengan menggunakan metode sol-gel. Pasta titania-besi dideposisikan pada elektroda transparan (Indium Tin Oxide) dengan metode doctor blade. Dilakukan lima variasi massa Fe yang disisipkan pada 1 g lapisan titania aktif, yaitu 0,050; 0,075; 0,100; 0,125; dan 0,150 g. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa penyisipan logam Fe tidak  mempengaruhi struktur morfologi lapisan titania,  meskipun hasil EDS  menunjukkan adanya logam Fe pada  lapisan  titania  tersebut.  Lapisan  TiO 2 dan  lapisan  TiO 2 -Fe  dapat  menyerap  cahaya  dengan  baik  pada panjang gelombang 200–390 nm dan pada panjang gelombang 650–800 nm. Lapisan TiO 2 -Fe memiliki nilai absorbansi  yang  lebih  besar  daripada  lapisan  TiO 2 .  Nilai  resistansi  untuk  lapisan  TiO 2 yaitu  3.190 Ω . Sedangkan nilai resistansi untuk lapisan titania sampel 1, 2, 3, 4 dan 5 secara berturut-turut adalah 3188,49; 3188,40;  3188,39;  3187,98  dan  3184.87 Ω .  Besarnya  tegangan  sel  surya  yang  menggunakan  lapisan  titania sampel 1, 2, 3, 4 dan 5 secara berturut-turut adalah 0,370; 0,398; 0,334; 0,488; dan 0,545 Volt.
Kata kunci: titania, besi, struktur morfologi, absorbansi, resistansi, tegangan, sel surya

## Abstract
This study aims to determine the effect of Fe metal insertion with a variety of mass to the morphological structure, absorbance spectrum, the resistance, and solar cells performance. Preparation of TiO 2 -Fe to form a paste made using sol-gel method. Pasta TiO 2 -Fe deposited on a transparent electrode (Indium Tin Oxide) with a doctor blade method. There were five variations of mass Fe is pasted on a layer of 1 g titania, namely 0.050; 0.075; 0.100; 0.125; and 0.150 g. SEM analysis showed that the insertion Fe on titania layer does not affect the structure morphology of the titania, even the EDS results showed that the composition of TiO 2 -Fe contains Ti element. A layer of TiO 2 and Fe-TiO 2 coating can absorb light very well at a wavelength of 200- 390 nm  and  at a  wavelength of  650-800 nm.  TiO 2 -Fe  layers  have absorbance  values greater  than  the  TiO 2 layer. The resistance value for TiO 2 layer is 3,190 Ω . While the resistance value for titania coating samples 1, 2, 3, 4 and 5 respectively are 3,188.49; 3,188.40; 3,188.39; 3,187.98 and 3,184.87 Ω . The magnitude of the voltage solar cells that use titania coating samples 1, 2, 3, 4 and 5 are 0.370, 0.398, 0.334, 0.488 and 0.545 volt, respectively.
Keywords: titania, iron, structure morphology, absorbance, resistance, voltage, solar cells

## Pendahuluan
Kebutuhan  masyarakat  akan  penggunaan energi  listrik  semakin  hari  semakin  meningkat. Sedangkan  persediaan  energi  di  seluruh  dunia, termasuk  di  dalamnya  energi  listrik,  semakin  hari
semakin menipis Ketersediaan sumber energi listrik konvensional semakin tidak mampu untuk mengimbangi  kebutuhan  masyarakat  akan  energi listrik.  Berbagai  upaya  terus  dilakukan  untuk mencari dan mengembangkan sumber energi listrik yang baru. Sel surya merupakan salah satu sumber
energi listrik alternatif masa depan yang diharapkan  mampu  mengatasi  kekurangan  energi listrik.
Perkembangan  sel  surya  terus  menerus dilakukan,  dari  sel  surya  generasi  pertama,  kedua dan  ketiga.  Sel  surya  generasi  pertama  (wafer silikon  dan  pita  silikon)  dan  sel  surya  generasi kedua  (lapisan  tipis)  memiliki  efisiensi  yang  baik, yaitu  mencapai  20%.  Tetapi  sel  surya  tersebut dalam  produksinya  memerlukan  teknologi  tinggi dan  biayanya  sangat  mahal.  Sel  surya  generasi ketiga  yaitu  sel  surya  organik  dan  sel  surya fotoelektrokimia  dalam  proses  produksinya  relatif mudah  dan  harganya  murah.  Tetapi  sel  surya generasi  ketiga  masih  memiliki  efisiensi  rendah dan umur pakai yang singkat [1].
Penelitian  tentang  sel  surya  generasi  ketiga terus  dikembangkan  untuk  menghasilkan  sel  surya dengan  efisiensi  yang  lebih  baik.  Salah  satu  sel surya  generasi  ketiga  adalah  sel  surya  yang  dibuat dengan  bahan  semikonduktor  titanium  dioksida. Berbagai penelitian terhadap sel surya titania terus menerus  dilakukan  untuk  menghasilkan  sel  surya titania  dengan  efisiensi  yang  lebih  baik,  diantara menghasilkan sel surya jenis DSSC (dye sensitized solar  cell)  dan  sel  surya  titania  dengan  penyisipan logam.  Pada  penelitian  ini  dipelajari  pengaruh penyisipan  logam  besi  dengan  berbagai  variasi massa  pada  lapisan  aktif  titania  terhadap  struktur morfologi,  komposisi  bahan  dan  resistansi  lapisan titania, serta performansi sel surya yang dihasilkan.

## Metode Penelitian
Teknik pengambilan data dilakukan dalam dua tahap  yaitu  tahap  preparasi  (pembuatan  lapisan titania) dan tahap karakterisasi lapisan titania.
a. Tahap Preparasi (pembuatan lapisan titania)
1. Pembuatan nanokomposit titania-besi. PVA sebanyak 0,1 gram dilarutkan dalam 10 ml aquades,  kemudian  larutan  tersebut  diaduk sambil  dipanaskan  di  atas  hot  plate  pada suhu  80ºC  selama  2  jam,  larutan  ini berfungsi sebagai binder dalam pembuatan pasta  nanokomposit.  Selanjutnya  TiO 2 sebanyak  1  gram  dan  Fe  sebanyak  0,05 gram  dimasukkan  ke  dalam  binder,  sambil tetap  diaduk  dan  dipanaskan  pada  suhu 80ºC sampai terbentuk pasta nanokomposit yang  baik  (±  1  jam).  Dilakukan  juga langkah  yang  sama  untuk  penambahan  Fe sebanyak  0,075    gram,  0,100  gram,  0,125 gram dan 0,150 gram.
2. Deposisi  nanokomposit  titania-besi  pada substrat  elektroda  transparan.  Elektroda transparan dipotong dengan ukuran 2 cm x 2,5  cm,  kemudian  dicuci  dengan  aquades selama  15  menit  dan  dengan  alkohol  70% selama  30  menit  menggunakan  ultrasonic bath  .  Nanokomposit  yang  telah  dibuat selanjutnya  dicetakkan  di  atas  elektroda transparan  yang  sudah  bersih  dengan teknik  doctor  blade.  Nanokomposit  yang telah  menempel  pada  elektroda  transparan kemudian dipanaskan di atas hot plate pada suhu  100ºC  selama  30  menit,  selanjutnya dipanaskan  dengan  menggunakan  furnace pada suhu 450ºC selama 30 menit.
3. Pembuatan lapisan elektrolit. NaF sebanyak 0,5 gram dilarutkan dalam 10 ml aquades  sambil  diaduk  menggunakan stirrer sampai terlarut semua, kemudian 0,8 gram PVA dimasukkan 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 +Fe.  Langkah  terakhir  adalah pemberian elektroda aluminium.

## b. Tahap Karakterisasil Lapisan Titania
Struktur  morfologi  permukaan  lapisan  titania dianalisis  dengan  SEM,  sedangkan  komposisi bahan  dianalisis  dengan  EDS.  Spektrum absorbansi lapisan dianalisis dengan menggunakan spektrometer Uv-Visible.
Resistansi  lapisan  titania  dianalisis  dengan menggunakan Jembatan Wheatstone. Tegangan sel surya diukur dengan menggunakan multimeter.

## Hasil dan Pembahasan
a. Struktur  Morfologi  dan  Komposisi  Kimia Lapisan TiO 2 dan TiO 2 -Fe Struktur  morfologi  lapisan  TiO 2 dan lapisan TiO 2 -Fe diperoleh dari hasil karakterisasi  menggunakan  SEM  (Scanning
Electron Microscopy). Berdasarkan hasil analisis  SEM  dapat  diperoleh  morfologi permukaan  dan  ukuran  butir  dari  suatu  bahan. Teknik  SEM  menghasilkan  foto  morfologi permukaan bahan dengan berbagai tonjolan dan lekukan  yang  didapatkan  dari  pengolahan elektron  sekunder  yang  dipancarkan  oleh bahan.
Hasil SEM lapisan TiO 2 sebagai pembanding merujuk pada penelitian
sebelumnya, yang dilakukan oleh Rita Prasetyowati  pada  tahun  2011.  Morfologi permukaan  lapisan  TiO 2 ditunjukkan  pada Gambar 1. Partikel-partikel TiO 2 yang terdeposisi  pada  ITO  mempunyai  butiran (grain)  yang  cukup  homogen.  Dari  gambar tersebut dapat dihitung bahwa ukuran diamater partikel  TiO 2 sekitar  180  nm  (berdasarkan
distribusi  ukuran  partikel  pada  Gambar  2). Ryan  O’Hyre,  dkk  (2006)  menyatakan  bahwa ukuran  partikel  TiO 2 sebesar  50-200  nm mendukung  performansi  sel  surya  untuk menjadi lebih baik. Pada Gambar 3 ditunjukkan hasil EDS lapisan TiO 2. Hasil EDS tersebut  memperlihatkan  bahwa  komposisi bahan  yang  terkandung  dalam  lapisan  TiO 2 adalah unsur Ti sebanyak 54,25% dan unsur O sebanyak 45,75%.
Gambar 1. Foto SEM pasta TiO 2 yang dideposisikan pada ITO dengan teknik printing.
120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Diameter Partikel (nm) J u m la h B LogNormalFit of B
Gambar 2.  Distribusi ukuran partikel TiO 2 dari hasil citra SEM
Gambar 3.  Hasil EDS lapisan TiO 2 .
Morfologi permukaan lapisan TiO 2 -Fe (sampel 5)  ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Berdasarkan gambar  tersebut  terlihat  bahwa  butiran  (grain) partikel-partikel  TiO 2 -Fe  cukup  homogen,  dengan ukuran  rata-rata  diameter  partikel  sebesar  145  nm (Gambar  5).  Morfologi  permukaan  pada  lapisan TiO 2 -Fe  tidak  menunjukkan  perbedaan  yang signifikan  dengan  morfologi  permukaan  lapisan TiO 2 tanpa  penambahan  Fe.  Tetapi  berdasarkan
hasil  EDS  pada  Gambar  6,  tebukti  bahwa  pada lapisan  TiO 2 -Fe  mengandung  sejumlah  Fe.  Hal  ini berarti  ada  partikel-partikel  Fe  yang  menyisip diantara  partikel-partikel  TiO 2 ketika  dilakukan pembuatan pasta nanokomposit TiO 2 -Fe. Berdasarkan  hasil  EDS  pada  Gambar  5  dapat diketahui  bahwa  lapisan  TiO 2 -Fe  mengandung unsur  Ti  sebanyak  59,82  %,  unsur  O  sebanyak 40,03 % dan unsur Fe sebanyak 0,15 %.
Gambar 5.  Distribusi ukuran partikel TiO 2 -Fe (sampel 5) dari hasil citra SEM
Gambar 6.  Hasil EDS lapisan TiO 2 -Fe (sampel 5)
b. Absorbansi Lapisan TiO 2 dan TiO 2 -Fe Pada penelitian ini dilakukan uji absorbansi  pada  sampel  TiO2  dan  TiO2-Fe dengan  rentang  panjang  gelombang  yang
digunakan  antara  200-800  nm,    dengan menggunakan  UV  1700  Pharmaspec  UV-Vis Spectrophotometer.
Gambar 7. Spektrum absorbansi lapisan TiO 2
Gambar 8. Spektrum absorbansi lapisan TiO 2 -Fe
Berdasarkan  Gambar  7  dan  Gambar  8  dapat dilihat  bahwa  lapisan  TiO 2 dan  TiO 2 -Fe  dapat menyerap  cahaya  dengan  baik  pada  panjang gelombang  200–390  nm  dan  650-800  nm.  Pada lapisan  TiO 2 puncak  serapan  terjadi  pada  panjang gelombang  341  nm  (dengan  absorbani  1,538)  dan
708  nm  (dengan  absorbansi  0,104).  Sedangkan pada  lapisan  TiO 2 -Fe  puncak  serapan  terjadi  pada panjang  gelombang  315  nm  (dengan  asborbansi 2,559)  dan  706  nm  (dengan  absorbansi  0,110). Meskipun  lapisan  TiO 2 dan  lapisan  TiO 2 -Fe  dapat menyerap  cahaya  pada  rentang  gelombang  yang sama  dan  memiliki  puncak  serapan  yang  hampir sama, tetapi absorbansi lapisan TiO 2 -Fe lebih besar.
c. Resistivitas Listrik Lapisan TiO 2 -Fe Konduktivitas listrik lapisan TiO 2 dan TiO 2 -Fe ditentukan dengan menggunakan rangkaian Jembatan Wheatstone. Rangkaian Jembatan Wheatstone  dapat  digunakan  untuk  mengukur resistansi dari suatu hambatan. Rangkaian
Jembatan  Wheatstone  yang  digunakan  dalam penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 9.

## Gambar 9. Rangkain Jembatan Wheatstone
Pada rangkaian Jembatan Wheatstone tersebut, R 1 adalah  potensiometer  3k Ω ,  R 2 =R 3 yaitu  resistor 18 Ω ,  V ab adalah  tegangan  yang  dicari  dan  R 4 adalah  resistor  yang  belum  diketahui  nilai resistansinya.  Sampel  lapisan  TiO 2 ataupun  TiO 2 - Fe menempati posisi sebagai R 4. Hasil pengukuran nilai resistansi lapisan TiO 2 adalah  sebesar  3190 Ω .  Hasil  perhitungan  nilai resistansi dari kelima sampel TiO 2 -Fe  memberikan hasil seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Pengukuran Nilai Resistansi Sampel Resistansi (Ohm) 1 (Fe 0,050 gram) 3188,49 2 (Fe 0,075 gram) 3188,40 3 (Fe 0,100 gram) 3188,39 4 (Fe 0,125 gram) 3187,98 5 (Fe 0,150 gram) 3184.87
Berdasarkan  hasil  pengukuran  tersebut,  dapat dilihat  bahwa  nilai  resistansi  lapisan  TiO 2 -Fe
sampel  1  lebih  kecil  daripada  nilai  resistansi lapisan  TiO 2 -Fe  sampel  2  dan  sampel  3.  Hal  ini berarti  penyisipan  partikel  logam  Fe  pada  lapisan TiO 2 dapat  memperkecil  nilai  resistansi  lapisan tersebut. Logam Fe yang menyisip diantara partikel TiO 2 berperan sebagai kontak logam yang menjadi lintasan  bagi  elektron  untuk  mengalir  lebih  cepat menuju ITO (R. Sastrawan, 2006).
d. Performansi  Sel  Surya  Berbasis  TiO 2 dengan Penyisipan Logam Fe
Sampel  sel  surya  yang  telah  berbentuk sandwich (seperti Gambar 10) dikarakterisasi untuk mengetahui  performansinya.  Performansi  yang dimaksudkan disini hanya tegangannya saja karena pengukuran  arus-tegangan  dengan  menggunakan IV-meter  tidak  dapat  dilakukan.  Tegangan  diukur dengan menggunakan multimeter. Hasil pengukuran  tegangan  dari  kelima  sampel  seperti tercantum pada Tabel 2.
Gambar 10. Struktur sel surya berbasis TiO 2 dan
logam Fe
Tabel 2. Hasil Pengukuran Tegangan Sel Surya
No Sampel Tegangan (Volt) 1 1 (Fe 0,050 gram) 0,370 2 2 (Fe 0,075 gram) 0,398 3 3 (Fe 0,100 gram) 0,334 4 4 (Fe 0,125 gram) 0,488 5 5 (Fe 0,150 gram) 0,545
Berdasarkan  Tabel  2  terlihat  bahwa  nilai tegangan yang dihasilkan bermacam-macam sesuai dengan variasi massa besi yang disisipkan. Peneliti sudah  mencoba  mengukur  arus-tegangan  dengan menggunaan  El-Kahfi  100,  dengan  sumber  cahaya yang  berasal  dari  lampu  halogen  yang  memiliki intensitas  cahaya  sebesar  18  W/m2  atau  setara dengan  500  Lux.  Tetapi  grafik  yang  dihasilkan masih tetap belum sesuai dengan yang diharapkan, sehingga  kurva  I-V  belum  bisa  digambarkan. Tetapi  Sel  surya  yang  dibuat  dalam  bentuk
prototype  ini  sudah  bisa  menunjukkan  adanya gejala fotovoltaik, karena sudah ada tegangan yang dihasilkan.
Adanya atom-atom Fe yang menyisip diantara partikel-partikel  TiO 2 dalam    jumlah  yang  cukup dapat  memberikan  efek  bahwa  sel  surya  yang dihasilkan  memberikan  tegangan  yang  lebih  besar. Hal  ini  bisa  dijelaskan  seperti  pada  Gambar  10, 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).  Kemudian  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 (K. Asagoe, dkk, 2007).
Ketika lapisan TiO 2 disisipi dengan Fe, berarti ada  atom-atom  Fe  yang  menyisip  di  antara  TiO 2 . Akibatnya  lapisan  TiO 2 memiliki  lapisan  kontak logam.  Lapisan  kontak  logam  ini  menjadi  lintasan bagi  elektron  untuk  mengalir  lebih  cepat  menuju ITO. Terjadinya lintasan bagi elektron pada lapisan TiO 2 dapat dianalogikan sebagai proses persambungan antara logam-semikonduktor, dimana  ketika  terjadi  kontak  antara  logam  dengan semikonduktor  maka  elektron  pada  semikonduktor akan  mengalir  pada  logam  (R.  Sastrawan,  2006). Sehingga  elektron  hasil  generasi  pada  TiO 2 akan menuju  ke  logam,  dan  bersama-sama  dengan elektron  pada  logam  akan  mengalir  menuju  ITO. Hal ini dapat meningkatkan performansi sel surya.

## Simpulan
Penyisipan logam Fe pada lapisan titania tidak mempengaruhi  struktur  morfologi  lapisan  titania jika  dilihat  dari  hasil  karakterisasi  SEM.    Butiran (grain) yang terbentuk pada kedua lapisan tersebut relatif  sama.  Hasil  EDS  memperlihatkan  bahwa komposisi  bahan  pada  kedua  lapisan  tersebut berbeda. Lapisan TiO 2 -Fe, yaitu lapisan TiO 2 yang disisipi  logam  tembaga  mengandung    unsur  Ti sebanyak 59,82 %, unsur O sebanyak 40,03 % dan unsur Fe sebanyak 0,15 %. Sedangkan lapisan TiO 2 saja  mengandung  unsur  Ti  sebanyak  54,25%  dan unsur O sebanyak 45,75%.
Lapisan  TiO 2 dan  TiO 2 -Fe  dapat  menyerap cahaya dengan baik pada panjang gelombang 200– 390 nm dan 650-800 nm. Pada lapisan TiO 2 puncak
serapan  terjadi  pada  panjang  gelombang  341  nm (dengan  absorbani  1,538)  dan  708  nm  (dengan absorbansi 0,104). Sedangkan pada lapisan TiO 2 -Fe puncak  serapan  terjadi  pada  panjang  gelombang 315  nm  (dengan  asborbansi  2,559)  dan  706  nm (dengan absorbansi 0,110).
Nilai resistansi untuk lapisan TiO 2 yaitu 3.190 Ω .  Sedangkan  nilai  resistansi  untuk  lapisan  titania sampel 1, 2, 3, 4 dan 5 secara berturut-turut adalah 3188,49 Ω ;  3188,40 Ω ;  3188,39 Ω ;  3187,98 Ω dan 3184.87 Ω . Sedangkan besarnya tegangan sel surya yang menggunakan lapisan titania sampel 1, 2, 3, 4 dan  5  secara  berturut-turut  adalah  0,370;  0,398; 0,334; 0,488; dan 0,545 V.

## Ucapan Terima Kasih
Peneliti  mengucapkan  terimakasih  kepada FMIPA  UNY  yang  telah  membiayai  penelitian  ini
melalui  anggaran  DIPA  BLU  Universitas  Negeri Yogyakarta Tahun 2015.

## Pustaka
[1]  B.  Yuliarto  .(2006).  Berita  Iptek  20  Januari 2006
[2]  B.R.  O’Hayre,  M.  Nanu,  J.  Schoonman,  A. Goossens,  Q.  Wang  dan  M.  Grätzel.  (2006). The  Influence  of  TiO 2 Particle  Size  in TiO 2 /CuInS 2 Nanocomposite Solar Cells, Adv. Funct. Mater. 16, 1566-1576
[3]  R.  Prasetyowati.  (2011).  Studi  Pengembangan Sel  Surya  Berbasis  TiO 2 Melalui  Penyisipan Logam  Fe  dengan  Metode  Elektroplating.
Tesis. Institut Teknologi Bandung
[4] R. Sastrawan. (2006). Photovoltaic modules  of  dye  solar  cells.  Ph.D  Thesis, Universität Freiburg