Sifat Optik Campuran Pasta TiO 2 Partikel Nano dan Pasta TiO 2 Reflektor pada Foto Elektroda Dye Solar Cell Optical Properties of Blending Paste of TiO 2 Nanoparticles and TiO 2 Reflector for Dye Solar Cell’s Photoelectrode

## Lilis Retnaningsih*, Lia Muliani, dan Goib Wiranto
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Komplek LIPI Gedung 20 Lantai 4, Jl Sangkuriang, Bandung 40135, Indonesia

## Abstrak
Dalam  penelitian  ini,  kami  mengamati  pengaruh  dari    campuran  pasta  TiO 2 partikel  nano  dan  pasta  TiO 2 reflektor  yang dapat meningkatkan kinerja dye-sensitized solar cell (DSSC). Senyawa TiO 2 reflektor ini berfungsi sebagai lapisan penghambur, yang  diharapkan  dapat  meningkatkan  kinerja  DSSC.  Dalam  penelitian ini,  foto  elektroda  DSSC  dibuat  dengan  mencampurkan bahan pasta TiO 2 partikel nano dan bahan pasta TiO 2 reflektor dengan rasio dari dua bahan tersebut yang telah ditentukan. Pasta pertama adalah campuran dari bahan utama dan bahan pencampur dengan perbandingan antara pasta TiO 2 partikel nano dan pasta TiO 2 reflektor  sebesar  95%  :  5%,  pasta  kedua  adalah  campuran  dengan  perbandingan  90%  :  10%,  dan  pasta  ketiga  dengan perbandingan  85%  :  15%.  Pasta  hasil  campuran  kemudian  dilapiskan  pada  permukaan  kaca  konduktif  yang  memiliki  dimensi konduktif sebesar 1 cm x 1 cm. Sel surya DSSC hasil proses pabrikasi kemudian diukur menggunakan I-V measurement system dan Sun simulator untuk mengetahui arus, tegangan, dan efisiensi yang dihasilkan. Lapisan foto elektroda DSSC diukur dengan menggunakan UV  -  Visible  absorbance untuk  menentukan  karakteristik  daya  serapnya  terhadap  cahaya  yang  datang  pada permukaan  TiO 2 hasil  pencampuran.  Kami  juga  telah  melakukan  pengukuran  menggunakan  alat  SEM  ( scanning  electron microscope ) untuk mengetahui karakteristik permukaan hasil pencampuran kedua jenis pasta yang telah digunakan. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa DSSC hasil pencampuran pasta dengan perbandingan 85% pasta TiO 2 partikel nano terhadap 15% pasta TiO 2 reflektor memiliki ukuran partikel yang paling besar dan menghasilkan efisiensi yang paling besar pula.
Kata kunc i: dye-sensitized solar cell, pasta TiO 2 reflektor , lapisan penghambur, pasta TiO 2 partikel nano.

## Abstract
In  this  research,  we  investigate  the  effect  of  the  blends  of  TiO 2 nanoparticle  paste  and  TiO 2 reflector  paste  which  can improve  the  performance    of  dye-sensitized  solar  cell  (DSSC).  Reflector  TiO 2 compound  serves  as  a  scattering  layer  which  is expected to be able to improve the performance of DSSC. In this research, the dye solar cell’s photoelectrode was fabricated  by mixing TiO 2 reflector paste into TiO 2 nanoparticles paste with a ratio of these two ingredients which have been determined. The first blending paste ingredients with a comparison between TiO 2 nanoparticles paste and TiO 2 reflector of 95% : 5%, the second blending paste  with a ratio of 90% : 10%, and the third with a ratio of 85% : 15%. Each Paste blend then coated on conductive glass surface in dimensions of 1 cm x 1 cm. The dye solar cells which were resulted from the fabrication process then measured using  I-V  measurement  system  and  a  Sun  Simulator  to  determine  the  current,  voltage  and  resulted  efficiency.  Photoelectrode layers  were  then  also  measured  by    the  UV  -  Visible  absorbance  to  determine  the  characteristics  of the  light  absorbance.  We have  also  made  measurements  using  SEM ( scanning  electron  microscope ) tools  to  investigate  the  surface  characteristics  of blending pastes of both paste types that have been used.
The measurement results show that the DSSC resulted from blending paste with a ratio of 85% TiO 2 nanoparticle paste to 15%  TiO 2 reflector paste has the greatest TiO 2 particle size and produces the greatest efficiency.
Keywords : dye sensitized solar cell, TiO 2 reflector paste, scattering layer, TiO 2 nanoparticles paste.

## I. P ENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  adanya  energi  baru  sebagai alternatif  sangat  dibutuhkan,  terutama  sebagai  energi pengganti yang terbarukan.
Pada  penelitian dye-sensitized  solar  cell (DSSC) telah  banyak  dipelajari  dan  dihasilkan  beberapa  teknik dan  paduan  bahan  baik  bahan  dari  alam  maupun  dari hasil  rekayasa  ilmiah.  Dari  beberapa  pabrikasi  yang
telah  dilakukan  didapatkan  hasil  yang  bervariasi bergantung pada bahan dan analisa yang digunakan [1]. material adalah DSSC pembuatan utama Bahan semikonduktor  TiO 2 ,  karena  material  ini  yang  dapat menghasilkan  efisiensi  paling  tinggi.  Penggunaan partikel  TiO 2 yang  lebih  besar  sebagai  pusat hamburan dicampur dalam matriks TiO 2 yang mengandung 20-50 nm  partikel  menyebabkan  meningkatnya  hamburan cahaya  dalam  lapisan  TiO 2 dan  secara  keseluruhan meningkatkan efisiensi DSSC [2]. Dalam penelitian ini, kami  akan  meneliti  pengaruh  penggunaan  pasta  TiO 2 yang  partikelnya  lebih  besar  sebagai  pusat  hamburan dalam  lapisan  pasta  TiO 2 yang  dicampurkan  dengan pasta TiO 2 partikel nano.
* Corresponding Author . Email: lilisretna@gmail.com Received: July 17, 2014; Revised: August 26, 2014 Accepted: August 26, 2014 Published: December 30, 2014
 2014 PPET - LIPI doi : 10.14203/jet.v14.36-39
Sel surya kristal nano TiO 2 tersensitisasi dye adalah sel  foto  elektrokimia  yang  memanfaatkan  fenomena fotosintesis  yaitu  dengan  adanya dye yang  merupakan penyerap cahaya sehingga menghasilkan aliran elektron. Zat  pewarna  ( dye )  adalah  material  yang  memberikan pengaruh sensitasi semikonduktor terhadap cahaya. Dye berperan sebagai pompa foto elektrokimia serta lapisan penyerap  foton  yang  kemudian  tereksitasi  menjadi eksiton ( photosensitizer ) [3].
Pada  sel  surya  tersensitisasi dye , cahaya  foton diserap  oleh dye yang  melekat  ( attached )  pada permukaan  partikel  TiO 2 (lapisan  TiO 2 bertindak sebagai  akseptor  atau  kolektor  elektron  yang  ditransfer dari dye yang  teroksidasi).  Foton  yang  diserap mengakibatkan  elektron  tereksitasi  dari  level  HOMO ( highest occupied molecular  orbital ) ke LUMO ( lowest unoccupied  molecular  orbital )  pada  molekul dye . Dye tereksitasi  (D*)  menginjeksi  sebuah  elektron  ke  dalam pita  konduksi  (CB)  semikonduktor  (TiO 2 )  yang  berada sedikit lebih tinggi dari pada level konduksi TiO 2 [4]. Berbeda  dengan  sel  surya  konvensional,  DSSC adalah  sel  surya  foto  elektrokimia  dan  menggunakan elektrolit  sebagai  medium  transportasi  muatan.  Selain elektrolit,  DSSC  terdiri  dari  beberapa  bagian  seperti TiO 2 partikel  nano,  molekul dye yang  teradsorpsi  di permukaan TiO 2 , dan katalis, yang semuanya dideposisi di  antara  dua  kaca  konduktif,  seperti  terlihat  pada Gambar 1, mengenai struktur DSSC [5].
Pada  DSSC,  semikonduktor  yang  paling  banyak digunakan  adalah  TiO 2 yang  memiliki  ukuran  dalam skala  nanometer  (10 -9 meter)  dan  bersifat  mesopori (memiliki  pori  berdiameter  antara  ukuran  mikro  dan nanometer).
Gambar 1. Struktur Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) [5].
Dalam  penelitian  ini  kami  telah  melakukan pencampuran antara pasta TiO 2 partikel nano dan pasta TiO 2 reflektor,  di  mana  pasta  TiO 2 reflektor  memiliki dimensi yang lebih besar sekitar 200 nm. Pencampuran kedua  jenis  pasta  ini  berfungsi  untuk  meningkatkan kinerja DSSC yang dibuat.

## II. P ERCOBAAN
Komponen  yang  digunakan  untuk  membangun sebuah  DSSC  secara  garis  besar  dapat  dibagi  menjadi empat  bagian,  yaitu  substrat,  semikonduktor  titanium dioksida (TiO 2 ), dye , dan elektrolit.
Dalam  penelitian  ini  dilakukan  beberapa  tahapan yaitu:  proses  pelapisan, assembling ,  dan  pengukuran, seperti berikut ini:

## A. Pasta TiO 2 dan Proses Pelapisan
Proses  yang  pertama  dilakukan  dalam  pembuatan DSSC  adalah  pemilihan  bahan  substrat.  Substrat  yang digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  substrat  kaca transparan  konduktif  dengan  lapisan  konduktif  FTO ( flourine-doped  tin  oxide )  dan  memiliki  resistivitas sheet sebesar 15 Ω/sq.
Proses selanjutnya adalah pencampuran bahan pasta antara pasta TiO 2 partikel nano dan pasta TiO 2 reflektor dengan perbandingan 95% : 5%,  90% : 10%, dan 85% : 15%,  dilakukan  dengan  cara  pengadukan  hingga  rata. Hasil  campuran  pasta  dari  masing-masing  persentase kemudian dilapiskan di atas  kaca transparan konduktif yang  berdimensi  1  cm  ×  1  cm,  dengan  teknik screen printing .  Proses screen  printing dilakukan  satu  persatu sesuai  dengan  campuran  pasta  yang  digunakan.  Hasil pelapisan kemudian dikeringkan pada suhu 140  C lalu dibakar  dalam furnace pada  suhu  500  C  selama  10 menit [6].
Hasil  proses  pelapisan  kemudian  direndam  di dalam  larutan  pewarna  yang  terbuat  dari  bubuk ruthenium  jenis  B2  (N719)  dari  Dysol,  yaitu  dengan konsentrasi 20 mg dimasukkan ke dalam 100 ml pelarut etanol  dan  direndam  selama  24  jam  di  dalam  ruang kedap cahaya.

## B. Counter Electrode dan Perakitan
Bagian  permukaan  pada  sisi  lain  dari  DSSC  yang dibuat  adalah    lapisan counter  electrode .  Bahan  yang dilapiskan  pada  lapisan  ini  adalah  bahan  Pt  (Platina), pelapisannya dilakukan dengan teknik sputtering di atas permukaan kaca.
Dari  hasil  pembuatan  lapisan  TiO 2 yang  telah direndam  zat  pewarna  dan  lapisan counter  electrode hasil sputtering , keduanya ditempelkan dengan permukaan yang saling berhadapan dengan menggunakan  perekat thermoplastic  sealant  Surlyn pada  bagian  pinggirnya.  Setelah  saling  menempel  lalu dipanaskan pada suhu 100  C selama 5 menit. Di antara kedua  lapisan  kemudian  dimasukkan  larutan  elektrolit yaitu jenis EL-141.

## C. Pengukuran dan Karakterisasi
Setelah  dilakukan  perakitan  ( assembling )  DSSC,
kemudian dilakukan pengukuran karakteristik permukaan  lapisan  pasta  dengan  menggunakan  SEM yang  bertujuan  untuk  mengetahui  ukuran  dan  kerataan lapisan. Pengukuran I-V dilakukan dengan menggunakan I-V measurement  system dari  National Instrument  dan Sun  Simulator Oriel  dengan  filter  AM 1,5 dan intensitas cahaya 50 mW/cm 2 untuk mengetahui arus  dan  tegangan  yang  dihasilkan.  Pengukuran selanjutnya  adalah  dengan  mengunakan UV-Visible absorbance untuk  mengetahui  karakteristik  serapan DSSC terhadap cahaya yang datang [7].

## III. H ASIL D AN P EMBAHASAN
Gambar  2 menunjukkan hasil  foto  SEM  morfologi permukaan  pasta  hasil  pencampuran  dari  2  jenis  pasta
dengan perbandingan berat yang berbeda. Gambar 2 (a) adalah pasta campuran dengan perbandingan 95% TiO 2 partikel nano terhadap 5% TiO 2 reflektor, Gambar 2 (b) adalah  90%  TiO 2 partikel  nano  terhadap  10%  TiO 2 reflektor  dan  2  (c)  adalah  85%  TiO 2 partikel  nano terhadap  15%  TiO 2 reflektor.  Seperti  terlihat  pada Gambar  2  (a)  dan  2  (b)  hasil  yang  diperoleh menunjukkan  morfologi  permukaan  yang  lebih  halus dan  rata,  sedangkan  pada  Gambar  2  (c)  hasil  butiran pada  permukaan  terlihat  lebih  besar.  Hal  ini  terjadi karena  hasil  SEM  pada  Gambar  2  (a)  dan  (b)  adalah untuk  campuran pasta  mengandung  pasta  TiO 2 partikel nano  lebih  banyak,  sedangkan  pada  Gambar  2  (c) mengandung pasta TiO 2 reflektor 15%.
(a) (b)

## (c)
Gambar 2. Hasil Foto SEM untuk Morfologi Permukaan Pasta Campuran, (a) 95% Pasta TiO 2 Partikel Nano: 5% Pasta TiO 2 Reflektor, (b) 90% Pasta TiO 2 Partikel Nano : 10% Pasta TiO 2 Reflektor, dan (c) 85% Pasta TiO 2 Partikel Nano : 15% Pasta TiO 2 Reflektor.
Dari  Gambar  2  hasil  SEM  yang  diperoleh  terlihat bahwa  campuran  antara  TiO 2 partikel  nano  dan  TiO 2 reflektor  pengadukannya  belum  merata,  sehingga mempengaruhi hasil karakteristiknya [8].
Gambar  3  adalah  grafik  karakteristik  listrik  sel surya DSSC, sedangkan parameter karakteritik listriknya  disajikan  pada  Tabel  1.  Pengukuran karakteristik  listrik  sel  dilakukan  dengan menggunakan I-V  measurement  system dari  National  Instrument  dan Sun-Simulator Oriel dengan filter AM 1,5 dan intensitas cahaya  50  mW/cm 2 untuk  campuran  antara  pasta  TiO 2 partikel  nano  dan  pasta  TiO 2 reflektor  dengan perbandingan 95% : 5%,  90% : 10%, dan 85% : 15%.
Gambar 3. Grafik Karakteristik Listrik Sel Surya DSSC untuk Ketiga Pasta Campuran Antara Pasta TiO 2 Partikel Nano Dengan Pasta TiO 2 Reflektor.
T ABEL 1 P ARAMETER K ARAKTERISTIK L ISTRIK S EL S URYA DSSC U NTUK K ETIGA J ENIS C AMPURAN P ASTA
Parameter Listrik Persentase Pasta TiO 2 Reflektor 5% 10% 15% P MAX (mW) 0,33 0,34 0,35 I SC (mA) 1,11 1,11 1,08 V OC (V) 0,59 0,59 0,59 FF 0,51 0,50 0,55 η (%) 0,67 0,69 0,71
Dari  hasil  pengukuran,  grafik  dan  data  nilai parameter  karakteristik  listrik  yang  dihasilkan  untuk ketiga  jenis  campuran  terlihat  hampir  berdekatan.  Hal ini  disebabkan  karena  rasio  (perbandingan)  pasta  yang digunakan  terlalu  kecil,  sehingga  pengaruhnya  sangat kecil pula.
Hasil pengukuran UV-Vis absorbance pada Gambar 4  (a)  dan  4  (b)  untuk  95%  pasta  TiO 2 partikel  nano  + 5%  pasta  TiO 2 reflektor  dan  90%  pasta  TiO 2 partikel nano  +  10%  pasta  TiO 2 reflektor  menunjukkan  bahwa grafik  yang  dihasilkan  pada  daerah  dengan  panjang gelombang  antara  400-600  m  memiliki  nilai absorbance sebesar  3-3,5  a.u.  ( absorbance unit ). Sedangkan pada hasil pengukuran UV – Vis absorbance pada Gambar 4 (c) untuk 85% pasta TiO 2 partikel nano +  15%  pasta  TiO 2 reflektor  pada  rentang  panjang gelombang  yang  sama  memiliki  nilai absorbance sebesar  2,5-3  a.u.  Dari  hasil  pengukuran  yang  telah dilakukan  menunjukkan  bahwa  hasil  penyerapan  yang baik  terjadi  pada  pasta  campuran  untuk  perbandingan
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Tegangan ( Volt) A ru s ( m A ) perbandingan 85 :15 perbandingan  90:10 perbandingan 95:5
90%  pasta  TiO 2 partikel  nano  +  10%  pasta  TiO 2 reflektor, hasil ini terlihat pada Gambar 4 (b).
(a) (b) (c)
Gambar 4. Hasil Pengukuran UV-Vis Absorbance ,  (a) 95% Pasta TiO 2 Partikel Nano + 5% Pasta TiO 2 Reflektor, (b) 90% Pasta TiO 2 Partikel Nano + 10% Pasta TiO 2 Reflektor, dan (c) 85% Pasta TiO 2 Partikel Nano + 15% Pasta TiO 2 Reflektor.

## K ESIMPULAN
Hasil  pabrikasi  sel  surya  DSSC  dan  pengukuran yang  telah  dilakukan  menunjukkan  bahwa  hasil  foto
SEM  untuk  campuran  pasta  TiO 2 partikel  nano  dan pasta  TiO 2 reflektor  dengan  rasio  85:  15  (%  berat) memberikan gambar dengan ukuran partikel yang lebih besar,  hasil  ini  sesuai  dengan  jumlah  partikel  yang dicampur.  Dari  data  parameter  karakteristik  listrik diperoleh  efisiensi  tertinggi  yakni  sebesar  0,71%  juga untuk  campuran  dengan  rasio  85  :  15  (%  berat). Sementara  dari  grafik UV-Vis  absorbance diperoleh bahwa  campuran  dengan  rasio  90  :  10  (%  berat) menghasilkan absorbance tertinggi,  yaitu  sebesar  3-3,5 a.u. pada daerah panjang gelombang 400-600 nm.
Dari  hasil  data  yang  diperoleh,  maka  campuran antara  pasta  dengan  perbedaan  ukuran  dapat  dilakukan untuk  meningkatkan  effisiensi  DSSC,  namun  harus lebih  memahami  karakter  dan  sifat  bahan  yang digunakan, sehingga dapat diperoleh perbandingan yang tepat dan menghasilkan nilai efisiensi yang lebih besar.
U CAPAN T ERIMA K ASIH
Kami  mengucapkan  terima  kasih  kepada  PPET- LIPI  yang  telah  memfasilitasi  sehingga  penelitian  ini dapat terlaksana.
D AFTAR R EFERENSI
[1] A. Sedghi and H. M. Miankushki, ”Influence of TiO 2 electrode properties on  performance of dye sensitized solar cells”, Int. J.
Electrochem. Sci. , vol. 7, pp 12078 - 12089, 2012.
[2] M.  Hamadanian,  H.  Sayahi,  and  A.  R.  Zolfagharichi,  ”Effect of  large  TiO 2 nanoparticles  as  light  scatter  in  matrix  of  small nanoparticles  to  improve  the  efficiency  in  dye  sensitized  solar cell”, Journal  of  Nanostructures ,  vol.  1,  issue  2,  pp  139-143, 2012.
[3] J. Wienke, J.  M.  Kroon, P.  M.  Sommeling, R.  Kinderman,  M. Späth,  J.  A.  M.  van  Roosmalen,  W.  C.  Sinke,  and  S. Baumgartner.  (1997).  Effect  of  TiO 2 -  electrode  properties  on the  efficiency  of  nanocrystalline  dye-sensitized  solar  cell. [Online]. Available: http://www.ecn.nl/docs/library/report/1997/rx97033.pdf [4] D. H. Kim, J. H. Heo, D. J.  Kwak, and Y. M. Suy, ”Synthesis of  TCO-free  dye-sensitized  solar  cell  with  new  porous  Ti electrodes  using  rf  magnetron  sputtering  technology” Journal of Electrical Engineering & Technology , vol. 5, no. 1, pp. 146- 150, 2010.
[5] R.  Sastrawan,  Photovoltaic  modules  of  dye  solar  cells, Dissertation  Doktor,  Fakultas  Mathematik  and    Physik, Universitas  Freiburg im Breisgau, Jerman, Juni 2006.
[6] K.  M.  Lee,  V.  Suryanarayanan,  and  K.  C.  Ho,  “Influences  of different  TiO 2 morphologies  and  solvents  on  the  photovoltaic performance  of  dye-sensitized  solar  cells”, Journal  of  Power Sources , vol. 188, issue 2, pp.  635-641, 2009.
[7] K.  Hara,  T.  Horiguchi,  Kinoshita,  Tohru,  K.  Sayama,  H Sugihara, and H. Arakawa, “Highly eficient photon- to-electron conversion  with  mercurochrome–sensitized  nanoporous  oxide semiconductor  solar  cells” Solar  Energy  Material  and  Solar Cell , vol. 64, pp. 115-134, 2000.
[8] O. K. Varghese, and C. A. Grimes, “Appropriate strategies for determining the photoconversion efficiency of water photoelectrolysis  cells:  A  review  with  examples  using  titania nanotube  array  photoanodes”, Solar  Energy  Materials  and Solar Cells , vol. 92, issue 4, pp. 374-384, 2008.