## Pengaruh Jenis Katalis pada Elektroda Pembanding terhadap Efisiensi Dye Sensitized Solar Cells dengan Klorofil sebagai Dye Sensitizer
Nurrisma Puspitasari, ∗ Siti Rabiatul Adawiyah, Muhammad Noer Fajar, Gatut Yudoyono, Agus Rubiyanto, dan Endarko Jurusan Fisika- FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111

## Intisari
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan sel surya tersensitisasi zat pewarna yang dibentuk dengan struktur sandwich dimana terdapat lima bagian antara lain: kaca ITO (Indium Tin Oxide) sebagai substrat; TiO 2 sebagai bahan semikonduktor; dye klorofil sebagai donor elektron; elektrolit sebagai transfer elektron. Ser- buk TiO 2 berukuran nanometer didapatkan melalui sintesis dengan metode kopresipitasi.Pengukuran dilakukan pada daya 100 mW/cm 2 . Hasil efisiensi DSSC menggunakan active carbon sebagai katalis pada elektroda pem- banding menghasilkan prosentase yang lebih besar daripada black carbon dan grafit, yaitu 0,05% untuk active carbon , 0,032% untuk black carbon , 0,029% untuk grafit.

## ABSTRACT
Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) is a dye sensitized solar cells are formed by a sandwich structure where there are five parts include: glass ITO (Indium Tin Oxide) as a substrate; TiO 2 as a semiconductor material; chlorophyll dye as an electron donor; electrolyte as electron transfer. Nanometer-sized TiO 2 powder obtained through synthesis by coprecipitation method. Measurements were taken at the power of 100 mW/cm 2 . The results of the efficiency of DSSC using active carbon as a catalyst in the reference electrode, produces a larger percentage than black carbon and graphite, which is of 0.05% for active carbon, black carbon to 0.032%, 0.029% for graphite.
K ATA KUNCI : Dye Sesitized Solar Cell, dye, chlorophyll, catalyst http://dx.doi.org/10.12962/j24604682.v13i1.2150

## I. PENDAHULUAN
Cahaya matahari merupakan salah satu sumber energi alternatif yang bersih, ramah lingkungan, dan aplikatif. Di dunia ini timbul suatu dorongan untuk menciptakan atau merancang suatu sistem untuk penyediaan energi yang aman dan nyaman bagi manusia maupun lingkungan. Cahaya matahari telah banyak digunakan sebagai sumber energi pada sel surya. Sel surya merupakan suatu peralatan yang dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Pengem- bangan sel surya menjadi sebuah penyediaan energi ketika manusia dihadapkan pada berkurangan cadangan energi yang berasal dari bahan bakar fosil [1].
Akan tetapi penggunaan sel surya sebagai sumber energi listrik masih terbatas karena kendala oleh mahalnya bahan utama dari sel tersebut, yaitu silikon. Namun, setelah melewati perkembangan zaman, teknologi sel surya juga ikut berkembang. Perkembangan tersebut telah sampai pada sel surya yang dikembangkan oleh Gr¨atzel. Sel ini sering juga disebut dengan sel Gr¨atzel atau Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) atau sel surya berbasis pewarna tersensitisasi (SSPT)
∗ E- MAIL : nurrisma@physics.its.ac.id
[2].
Pada DSSC, selain semikonduktor pada fotoanoda dan elektrolit yang menjaga stabilitas elektron pada siklus DSSC, elektroda pembanding merupakan salah satu faktor penting dalam berlangsungnya siklus terproduksinya arus dan tega- ngan. Fungsi utama elektroda pembanding adalah sebagai katalis agar proses berlangsungnya transfer elektron dan proses reduksi iodine/triiodide pada elektrolit semakin cepat, dengan demikian semakin cepat pula DSSC memproduksi listrik. Bahan katalis yang sering digunakan sebagai bahan yang dapat mempercepat reaksi redoks pada DSSC adalah katalis dari bahan platina. Namun karena harga platina yang mahal, seringkali bahan katalis pada DSSC diganti menggunakan bahan yang mudah diperoleh dan lebih murah dibandingkan dengan platina, yaitu karbon. Selain itu, karbon mempunyai sifat tahan terhadap korosi dan mempunyai kemampuan elektrokatalitis yang baik terhadap triiodide [3]. Telah banyak penelitian yang mencoba menggantikan peran dari platina dengan bahan karbon seperti black carbon [4–7], karbon aktif [5], single [8] atau multi-wall carbon nanotube [9–11], graphene oxide , maupun reduced graphene oxide [3].
Pada paper ini dilaporkan hasil kinerja pengaruh jenis katalis yang digunakan pada elektroda pembanding terhadap efisiensi DSSC.
Gambar 1: Rangkaian pengukuran tegangan dan arus.

## II. METODOLOGI
Sintesis nano partikel TiO 2
Sintesis TiO 2 dilakukan dengan metode kopresipitasi. Metode kopresipitasi dilakukan dengan mencampurkan asam dan basa sehingga memperoleh endapan bahan yang di- inginkan. Pertama dituangkan aquades sebanyak 100 ml ke dalam gelas kimia yang kemudian ditambahkan 20 ml TiCl 3 kemudian diaduk selama 1 jam. Selanjutnya dengan tetap dalam keadaan diaduk, larutan tersebut ditetesi dengan NH 4 OH (Merck) sampai larutan menunjukkan pH 9. Setelah larutan menunjukkan pH 9, penetesan NH 4 OH dihentikan na- mun larutan tetap dalam keadaan diaduk hingga warna laru- tan menjadi putih pekat. Kemudian larutan tersebut dien- dapkan pada temperatur kamar dan tertutup rapat selama 24 jam. Selanjutnya apabila larutan sudah mengendap, maka dilakukan pencucian larutan dengan menambahkan 200 ml aquades. Pencucian diulang kembali sampai didapatkan laru- tan dengan pH 7. Setelah diperoleh endapan dengan pH 7, dilakukan kalsinasi dengan temperatur 400 ◦ C selama 3 jam hingga terbentuk TiO 2 dengan fase anatase [12].
Deposisi pasta TiO 2 pada kaca ITO
Pasta TiO 2 dibuat dari serbuk nano TiO 2 yang dihaluskan terlebih dahulu dalam mortar yang sudah ditambahkan 1ml aquades selama 10 menit. Kemudian ditambahkan 0,7 ml asam asetat (Merck) dan 0,7 ml triton X-100 (Merck) dan di- tambahkan PEG 1000 [13].
Pada sisi kaca ITO berukuran 2 cm × 2 cm dibentuk area pembatas menggunakan plastik wrapuntuk pendeposisan TiO 2 di atas permukaan kaca konduktif yang sebelumnya telah diukur resistansinya. Pasta TiO 2 dideposisikan di atas area yang sudah dibentuk dengan metode Doctor-Blade . Sete- lah itu dilakukan pemanasan di atas hot plate dengan temper- atur 450 ◦ C selama 10 menit.

## Pembuatan ekstraksi dye
Dye yang digunakan pada penelitian ini adalah dye alami yaitu klorofil yang diambil dari daun alfalfa ( Medicago Sativa ). Proses pembuatan larutan dye klorofil adalah dengan mencampurkan 2 ml klorofil dalam 70 ml aquades. Selanjut- nya dilakukan uji absorbansi dengan menggunakan Spektro- fotometer UV-Vis. Dilakukan proses perendaman pada dye- selama satu hari. Perendaman dye tersebut juga dilakukan un- tuk masing–masing variasi polimer pada elektrolit dan katalis yang digunakan.

## Pembuatan elektroda pembanding
Elektroda pembanding pada DSSC berupa kaca dengan per- mukaan konduktif yang dilapisi oleh tiga jenis karbon, yaitu grafit, black carbon dan active carbon . Fungsi karbon seba- gai katalis untuk mempercepat reaksi pada DSSC. Selanjut- nya dibuat untuk masing–masing katalis, yaitu 3,5 gr black carbon dilarutkan dalam 15 ml ethanol. Kemudian lapisan elektroda pembanding dipanaskan di atas hotplate pada tem- peratur 250 ◦ C selama 30 menit.

## Pembuatan elektrolit
Elektrolit yang digunakan pada DSSC ini berupa elektrolit gel yang berbasis polimer PEG (polyethylene glycol). Pembuatan elektrolit gel yaitu: 7 g PEG (Merck) + 25 ml pelarut + elek- trolit cair (3 gram KI yang dilarutkan pada 10 ml acetonitrile (VWR) dan 3 ml larutan iodine). Campuran tersebut diaduk dengan pengaduk magnetik sambil dipanaskan pada temper- atur 80 ◦ C hingga homogen dan membentuk gel [14].

## Pembuatan sandwich DSSC
Lapisan DSSC merupakan susunan dari elektroda kerja dan elektroda pembanding yang disusun flip over menyerupai susunan sandwich yang dimana terdapat elektrolit diantara kedua elektroda. Elektroda kerja merupakan elektroda yang terdiri dari kaca ITO yang dilapisi TiO 2 kemudian direndam pada suatu dye.

## Karakterisasi
Hasil sintesis struktur nanokristal TiO 2 dikarakterisasi den- gan X-Ray diffraction (XRD). Spektrum absorpsi larutan dye klorofil diukur menggunakan UV-Vis Spectrophotome- ter (Genecys 10S UV-Vis, Thermo Scientific). Karakter- isasi arus dan tegangan (I-V) menggunakan alat Keithley I- V meter. Data keluaran dan alat I-V meter merupakan ni- lai arus dan tegangan. Dari grafik hubungan tersebut dapat diketahui karakteristik sel DSSC yang dibuat dengan men- ganalisis parameter sel-surya seperti; tegangan open-circuit (V oc ), arus short circuit (I sc ), Maximum Power Point (MPP), tegangan dan arus pada MPP (VMPP dan IMPP), fill factor (FF) dan efisiensi. Pengambilan data menggunakan I-V me- ter dilakukan di Laboratorium Fisika ITB dengan daya 100 mW/cm 2 , dengan rangkaian pengukuran seperti ditunjukkan Gambar 1.

## III. HASIL DAN DISKUSI
Karakterisasi TiO 2 dilakukan dengan alat XRD didapatkan TiO 2 berfase anatase dengan ukuran pertikel 11,15 nm (Gam- bar 2). Hasil pengujian absorbansi dye klorofil dari cahaya dengan menggunakan Spektrofotometer UV-Vis ditunjukkan pada Gambar 3.
Berdasarkan hasil grafik pada Gambar 3 diketahui bahwa dye klorofil memiliki spektrum absorbansi cukup lebar yang berkisar antara 300-700 nm dan mempunyai nilai absorbansi
Gambar 2: Hasil pola difraksi sinar x pada serbuk TiO 2 .
Gambar 3: Spektrum absorbansi dye klorofil.
yang optimum pada panjang gelombang 290 nm dan 400 nm yaitu berturut-turut sebesar 3.03 a.u dan 2.2 a.u. Penelitian ini menggunakan lampu Xenon sebagai sumber cahaya pada saat penyinaran DSSC karena intensitas pencahayaannya konstan dan memiliki nilai absorbansi pada rentang panjang gelom- bang 250-600 nm yang masih berada pada rentang panjang gelombang cahaya tampak [15], sehingga dengan nilai ab- sorbansi tersebut, dye klorofil dapat dikatakan mempunyai ni- lai absorbansi yang baik. Nilai efisiensi DSSC bergantung juga pada absorbansi panjang gelombang yang digunakan. Semakin lebar spektrum absorbansi dye klorofil, maka se- makin banyak frekuensi cahaya yang dapat diserap oleh sel surya.
Hasil karakterisasi SEM pada katalis ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4 menunjukkan top view SEM dari elek- troda active carbon (AC), black carbon (BC) dan grafit. Gam- bar tersebut menunjukkan bahwa bentuk partikel dari selu- ruh sampel adalah partikel berbentuk bulat. Pada hasil uji SEM terlihat bahwa permukaan lapisan active carbon lebih berpori dan seragam jika dibandingkan dengan lapisan black carbon dan grafit. Struktur permukaan yang berpori sangat diharapkan pada lapisan elektroda ini, karena dengan struktur yang berpori akan lebih banyak elektron yang ditangkap dari rangkaian luar dan memungkinkan elektron lebih cepat diter- ima oleh elektrolit. Dengan demikian proses transfer elek- tron dan siklus redoks pada elektrolit semakin cepat, sehingga arus foto yang dihasilkan menjadi lebih besar. Selain itu, mor- fologi elektroda black carbon dan grafit menunjukkan aglom-
(a) active carbon (AC) (b) black carbon (BC)
(c) grafit
Gambar 4: Hasil karakterisasi uji SEM pada katalis.
Gambar 5: Hasil karakterisasi I-V DSSC variasi katalis.
erasi yang sedikit besar dan homogen. Aglomerasi ini menu- run kontak listrik karena menyebabkan adanya resistansi se- makin besar serta proses transfer elektron menjadi lebih lam- bat dan berpengaruh pada performa dari DSSC.
Pada hasil karakterisasi I-V untuk variasi katalis, efisiensi DSSC menggunakan katalis active carbon lebih tinggi dibandingkan dengan DSSC yang menggunakan black carbon dan grafit sebagai katalisnya. Hasil karakterisasi dapat dilihat pada Tabel I.
Pada DSSC ini, tegangan dan arus yang dihasilkan juga tidak jauh berbeda, akan tetapi faktor pengisian pada DSSC ini menunjukkan perbedaan yaitu faktor pengisian untuk ac-
TABEL I: Hasil karakterisasi DSSC dengan variasi katalis.
Nama VOC ISC FF (%) η Sel (Volt) (mA/cm 2 ) (%) (%) Grafit 1,382 0,160 13,2 0,029 Black Carbon 1,402 0,109 21,4 0,032 Active Carbon 1,401 0,124 28,5 0,05
tive carbon lebih besar jika dibandingkan dengan dua katalis lainnya.Hasil efisiensi dari ketiga katalis berbading lurus den- gan factor pengisiannya. Hal ini dapat disebabkan karena morfologi dari masing–masing katalis yang berbeda. Mor- fologi permukaan masing–masing katalis dapat ditunjukkan pada hasil karakterisasi SEM. Grafik hasil karakterisasi I-V untuk variasi katalis dapat dilihat pada Gambar 5.

## IV. SIMPULAN
Prototipe DSSC telah berhasil dibuat dan dapat mengkon- versi energi cahaya menjadi listrik. Hasil efisiensi DSSC un-
tuk katalis dari bahan active carbon nilainya lebih besar jika dibandingkan dengan black carbon dan grafit, yaitu 0,005% untuk active carbon, 0,032% untuk black carbon , dan 0,029% untuk grafit.
[1] D. Almanda, Prospek PLTS di Indonesia , majalah elektro in- donesia, edisi ke-10 (1997).
[2] Oregan, and M. Gr¨atzel, Nature, 353 (6346), 737-740 (1991).
[3] R. Cruz, et al. , Solar Energy, 86 (2012), 716-724 (2011).
[4] T. Kitamura, et al. , Chemistry Letters, 30 , 1054-1055 (2001).
[5] Imoto, et al. , Solar Energy Materials and Solar Cells, 79 , 459- 469 (2003).
[6] T. Murakami, et al. , Journal of The Electrochemical Society 153, A2255A2261 (2006).
[7] T. Murakami, and M. Gr¨atzel, Inorganica Chimica Acta, 361 , 572-580 (2008).
[8] K. Suzuki, et al. , Chemistry Letters 32, 28-29 (2003).
[9] E. Ramasamy, et al. , Electrochemistry Communications, 10 , 1087-1089 (2008).
[10] S.I. Cha, et al. , Journal of Materials Chemistry, 20 , 659-662 (2009).
[11] C.-S. Chou, et al. , Advanced Powder Technology, 20 , 310317 (2009).
[12] H.N. Widaryanti, H., Pembentukan Nanopartikel TiO 2 Fasa Anatase dan Rutile dengan Metode Bervariasi , Skripsi, Fisika- ITS, Surabaya, 2010.
[13] L.J. Kook, et al. , Journal of Industrial and Engineering Chem- istry, 15 , 724-729 (2009).
[14] A. Maddu, M. Zuhri, dan Irmansyah, Makara, Teknologi, 11(2),78-84 (2007).
[15] H. Sastrohamidjojo, Spektroskopi Inframerah (Liberty Yo- gyakarta, Yogyakarta, 1992).