## PENGARUH KONSENTRASI KITOSAN PADA SINTESIS NANOPARTIKEL TIO 2 UNTUK APLIKASI PADA DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

## THE EFFECT OF CHITOSAN CONCENTRATION IN THE SYNTHESIS OF  TiO 2 NANOPARTICLES FOR APPLICATION IN DYE SENSITIZED SOLAR CELL
Maya Komalasari 1 , Teuku Fawzul Akbardan 2 , BambangSunendar 2
1 SekolahTinggiTeknologiTekstil
2 Program Studi Teknik Fisika - Institut Teknologi Bandung
Email: maya.komalasari@yahoo.com Diterima: 23 Oktober 2013 Direvisi: 20 November 2013 Disetujui: 23 Desember 2013

## ABSTRAK
Pada  penelitian  ini  dilakukan  sintesis  nanopartikel TiO 2 menggunakan  metode sol-gel dengan  pelarut air. Pada proses sintesis ditambahkan kitosan dengan konsentrasi 0; 2,5; 5; dan 10% v/v. TiO 2 hasil sintesis kemudian dikarakterisasi  dengan  menggunakan SEM, XRD, dan BET  untuk  mengetahui  morfologi, struktur  kristal, dan karakteristik pori. Selain itu keempat variasi TiO 2 diaplikasikan sebagai foto elektroda DSSC. Karakterisasi DSSC dilakukan  dengan  menggunakan solar simulator AM 1,5 untuk  mengetahui  karakteristik I-V DSSC.  Hasil karakterisasi menunjukkan penambahan kitosan pada konsentrasi rendah (2,5% v/v) mengurangi fasa anatase pada kristal    TiO 2 dan  cenderung  memperbesar  ukuran  kristalit. Penambahan  kitosan  melebihi 5% meningkatkan  fasa anatase dan memperkecil ukuran kristalit. Konsentrasi kitosan 2,5% memperkecil luas permukaan spesifik partikel dan volume total pori. Peningkatan  konsentrasi kitosan  memberi hasil  sebaliknya. Performa DSSC terbaik didapat pada TiO 2 dengan konsentrasi kitosan 2,5% saat sintesis, dengan Voc = 0,58 V, Jsc = 0,74 mA/cm , dan η = 0,51%.
Kata kunci: titanium dioksida, Dye Sensitized Solar Cell , kitosan

## ABSTRACT
Photoelectrode components commonly used in DCCS is titanium dioxide (TiO 2 ). In this research, synthesis of TiO 2 nanoparticles by sol-gel method with water  as solvent.  In the synthesis process, chitosan  was added at concentrations of 0%, 2.5%, 5%, and 10% v/v. TiO 2 was then characterized using SEM, XRD, and BET to determine the morphology, crystal structure and characteristics of the nanoparticles. Besides, the four variations of TiO 2 was applied as  DSSC photoelectrode. DSSC characterization was performed using AM 1.5 solar simulator to observe DSSCI–V characteristic. Characterization results showed the addition of chitosan at low concentrations (2.5% v/v) reduce the crystal  TiO 2 anatase phase and tend to increase the size of  crystallites. Increased concentrations of chitosan gave the opposite results. DSSC best performance obtained from TiO 2 with chitosan concentration of 2.5% during the synthesis, with Voc = 0.58 V, Jsc = 0.74mA/cm, and η = 0.51%.
Keywords: titanium dioxide, Dye Sensitized Solar Cell, chitosan

## PENDAHULUAN
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) me- rupakan  salah  satu  tipe  sel  surya yang kini banyak  dikembangkan di dunia. DSSC pertama kali dipublikasikan  oleh  Grätzel  dan  O’Regan pada 1991 [1] dan  memiliki  banyak  keuntungan diantaranya  berharga  murah,  mudah  difabrikasi, memiliki  efisiensi  konversi  energi  tinggi  diatas
10%, dan  memiliki  tingkat  pencemaran yang rendah [2]. Oleh  karena  itu  kini  riset  mengenai DSSC sangat intensif dilakukan.
Salah satu komponen penting pada DSSC ialah  foto  elektroda.  DSSC  menggunakan  foto elektroda yang tersensitisasi oleh bahan pelapis.
Sebagai  penangkap  cahaya  matahari, kini fotoelektroda  yang  umum  digunakan  adalah bahan  semi  konduktor TiO 2 . TiO 2 merupakan
bahan  yang berharga  murah, stabil  secara  kimia, dan  tidak  bersifat  toksik  [2]. Untuk  me- maksimalkan  penangkapan  cahaya  maka  di gunakan  lapisan  semi  konduktor  transparan. Selain  itu  partikel  semi  konduktor  diusahakan memiliki  permukaan yang luas agar dapat mengakomodasi  bahan  pewarna  dalam  jumlah yang banyak.
Keuntungan  lain  dari  penggunaan  partikel semikonduktor  dengan  permukaan  lebar  adalah cukupnya  kontak  dengan  larutan  elektrolit. Hingga kini berbagai modifikasi dilakukan untuk meningkatkan efisiensi, stabilitas, maupun mengurangi  biaya  fabrikasi DSSC.  Hal  tersebut dilakukan  dengan  mengganti  bahan  oksida logam, mengubah  struktur  oksida  logam, me- ngubah  bahan  pelapis, menggunakan  komponen elektrolit alternatif, memberikan bahan tambahan, dan sebagainya [3].
Gambar 1.  Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Gambar  1  menunjukkan  beberapa  kom-ponen penyusun  DSSC.  Komponen  penyusun  DSSC diantaranya  ialah  lapisan  oksida  logam, pewarna sebagai  zat yang sensitive terhadap  cahaya, elektrolit  sebagai  pembantu  terjadinya  reaksi regenerasi  elektron, kaca  berlapis Transparent Conductive Oxide ( TCO), dan  lapisan  platina sebagai  kata  lisregenerasi  elektron.  Titanium dioksida (TiO 2 ) ialah  bentuk  alami  dari  oksida titanium.TiO 2 merupakan material dengan bentuk yang stabil  secara  kimia, berharga  murah, dan tidak beracun [4]. Pada umumnya TiO 2 berwarna putih  dan  memiliki  kecerahan  dan  indeks bias yang tinggi. Oleh  karena  itu TiO 2 banyak digunakan  sebagai  pigmen  pada cat, kertas, makanan, pasta gigi, plastik, dan coating . TiO 2 biasa  ditemukan  dalam  tiga  macam struktur  kristal.  Ketiga  struktur  tersebut  ialah rutile , anatase, dan brookite .  Penggunaan  lain TiO 2 ialah  sebagai  bahan  semikonduktor yang dapat  diaplikasikan  pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC). Pada DSSC TiO 2 digunakan dengan penambahan  bahan  pewarna  sehingga  dapat
menghasilkan  aliran electron ketika  terkena cahaya matahari. Diketahui bahwa struktur kristal TiO 2 terbaik  untuk DSSC ialah  anatase.  Struktur anatase  dipilih  karena  memiliki  mobilitas elektron  yang tinggi, konstanta  dielektrik yang rendah, dan massa jenis yang rendah [4]. Metode sol-gel atau  juga  biasa  disebut polimerisasi organic merupakan  metode yang digunakan untuk  preparasi  oksida  dengan  melalui proses kimia basah. Pada Gambar 2 diberikan gambaran skematik proses sol gel.
Gambar 2. Skematik Proses Sol-Gel
Pada penelitian ini digunakan kitosan yaitu polisakarida  polimer  alam  yang diperoleh dari proses  deasetilasi  senyawa  kitin yang banyak terkandung  pada  cangkang  hewan crustacea . Proses deasetilasi  tersebut  dibantu  menggunakan larutan  basa,  biasanya  digunakan  natrium hidroksida (NaOH).
Pada penelitian ini dilakukan sintesis nano- partikel TiO 2 menggunakan  prekursor TiCl 4 dengan  metode sol-gel aqueous route dengan penambahan kitosan, dan mengaplikasikan  hasil sintesis  TiO 2 sebagai  fotoelektroda  pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC).

## BAHAN DAN METODE
Metode  penelitian  diawali  dengan  sintesis nanopartikel TiO 2 , kemudian  pembuatan pasta TiO 2 ,  fabrikasi  pada DSSC dan  selanjutnya dilakukan karakterisasi.
Sintesis Nanopartikel TiO 2
Sintesis nanopartikel TiO 2 menggunakan prekursor TiCl 4 kemudian  ditambahkan  dengan larutan kitosan sejumlah 0; 2,5; 5,0; dan 10% dari volume akhir  larutan. Kemudian  larutan  di- panaskan  pada hotplate stirrer hingga  mencapai temperatur  80˚C.  Pada  temperatur  tersebut ditambahkan amoniak hingga pH 9 dan kalsinasi pada temperatur 500˚C.
Pembuatan Pasta TiO 2 Pasta TiO 2 dibuat  dengan  mencampurkan serbuk TiO 2 , PEG, dan ethyl cellulose . Campuran tersebut  dilarutkan  kemudian  dipanaskan  dan diaduk  pada hotplate stirrer hingga  dapat dibentuk pasta.

## Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Proses fabrikasi DSSC diawali  dengan deposisi pasta TiO 2 pada substrat kaca Transparent Conductive Oxide (TCO), kemudian direndam dalam pewarna ruthenium N719 selama 24 jam hingga pewarna menempel pada TiO 2 .

## Karakterisasi Hasil Sintesis
Karakterisasi serbuk TiO 2 dilakukan dengan menggunakan perangkat SEM,  BET, XRD,  dan  karakterisasi  DSSC  menggunakan solar simulator .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Morfologi Partikel TiO 2
(a)                                  (b) (c)                               (d)
Gambar 3. Morfologi Partikel TiO 2. (a) Tanpa Kitosan, (b) TiO 2 dengan Kitosan 2,5%, (c) TiO 2 dengan Kitosan 5%, (d) TiO 2 dengan Kitosan 10%
Karakterisasi  SEM menunjukkan  mor- fologi  partikel  hasil  sintesis  dengan  berbagai variasi  konsentrasi  kitosan.  Berdasarkan  Gambar 3  perbedaan  morfologi  partikel  kurang  dapat
teramati  secara visual untuk  contoh  dengan variasi konsentrasi kitosan 0%, 5%, dan 10%.
Konsentrasi  kitosan  rendah (2,5%) saat sintesis  mengakibatkan  partikel  saling  ter- aglomerasi  satu  sama lain. Hal tersebut  me- ngakibatkan luas permukaan spesifik contoh akan berkurang. Hal ini  didukung  oleh  hasil  uji karakterisasi BET yang akan  dibahas  kemudian. Namun  penambahan  kitosan  untuk  konsentrasi yang lebih  tinggi  akan  semakin  mengurangi aglomerasi antar partikel.

## Struktur Kristal
Tabel 1. Struktur Kristal TiO 2
Penambahan  kitosan  cukup  berpengaruh terhadap  persen  massa  fasa  kristal. Pengaruh terhadap  fasa  kristal  tersebut  dipengaruhi konsentrasi kitosan yang ditambahkan saat proses sintesis TiO 2 . Konsentrasi  kitosan yang sedikit (2,5%) akan  mengurangi  terbentuknya  fasa anatase (88,9%) dibandingkan  dengan  sintesis tanpa  penambahan  kitosan yang menghasilkan fasa  anatase  sebanyak 94,9%. Dengan kata lain konsentrasi  kitosan  tersebut  mempermudah terbentuknya fasa rutile pada  temperature tertentu. Namun  demikian  apabila  konsentrasi kitosan  ditingkatkan  akan  diperoleh  konsentrasi fasa  kristal  anatase yang semakin  tinggi  yaitu lebih dari 94% untuk konsentrasi kitosan 5% dan 10% saat sintesis.

## Karakteristik Pori
Tabel 2. Karateristik Pori No Konsentrasi kitosan(%) Luas permukaan spesifik m 2 /g Volume total pori mm 3 /g Diameter rata-rata pori (nm) 1 0 81.822 2.825 13.8123 2 2,50 67.276 2.223 13.2155 3 5,0 72.623 2.563 14.1173 4 10,0 91.328 2.888 12.6487
Hasil  analisis BET menunjukkan  bahwa konsentrasi  kitosan yang rendah (2,5%) saat sintesis TiO 2 akan  mengurangi  luas  permukaan spesifik partikel. Namun semakin tinggi konsentrasi  kitosan yang ditambahkan, luas
permukaan  spesifik  akan  meningkat. Demikian pula dengan volume total pori. Konsentrasi kitosan yang rendah  mengurangi volume total pori  sedangkan  makin  tinggi  kitosan  meningkat- kan volume total pori. Berdasarkan data di atas
No Kons.
Kitosan (%) Ukuran Kristalit Anatase (nm) Fasa Kristal (%) (101) (004) (200) Anatase Rutile
1 0 10 13 8 94,9 5,1 2 2,50 10 19 8 88,9 11,1 3 5,0 9 12 7 94,5 5,5
4
10 8 11 7 94,3 5,7
diameter rata-rata pori  maka  keempat  contoh tersebut  merupakan material mesopori  karena memiliki diameter antara 2-50 nm (IUPAC).

## Karakteristik I-V DSSC
Gambar 2 . Karakteristik I-V DSS
Pada  gambar karakteristik IV-DSSC efisiensi tertinggi dimiliki oleh DSSC dengan  foto elektroda TiO 2 dan konsentrasi kitosan 2,5%. Hal tersebut  dapat  dijelaskan  karena TiO 2 dengan konsentrasi kitosan 2,5% saat sintesis menghasilkan  struktur  kristal  dengan  komposisi anatase 88,9% dan rutile 11,1%.

## KESIMPULAN
1. Sintesis  nanopartikel  TiO 2 berhasil  dilakukan menggunakan  prekursor TiCl 4 dengan  metode sol-gel aqueous route .
2. Konsentrasi kitosan yang berbeda saat sintesis mempengaruhi  struktur  kristal, struktur  pori, dan absorbansi cahaya TiO 2 . 3. Hasil sintesis TiO 2 dapat diaplikasikan sebagai fotoelektroda  pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC).
4. Karakteristik I-V DSSC bervariasi  terhadap konsentrasi  kitosan yang ditambahkan  saat sintesis TiO 2 .  Hasil  terbaik pada penambahan konsentrasi kitosan 2,5%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Z. Yang,  2011, “Fundamental studies of
Nanoarchitectured  Dye-sensitized  Solar Cells,” Ph.D. dissertation, Northern Illinois University , Dekalb, Illinois, United States. [2] A. Luque, Ed.,  and S. Hegedus, Ed., 2003, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering ,  John Wiley & Sons, Ltd. [3] R. Corriu, and N.T. Anh, 2009, Molecular Chemistry of Sol-Gel Derived Nano- materials , John Wiley & Sons, Ltd. [4] C. T. Laurencin and L. S. Nair, 2008,
Nanotechnology and Tissue Engineering, The Scaffold , CRC Press.
[5] H-H. Wanga et al., "Preparation of nano- porous TiO 2 Electrodes for Dye-sensitized solar cells," Institute of Organic and Polymeric Materials, National Taipei University of Technology, Taipei.