PENGEMBANGAN PROTOTIPE SEL SURYA DSSC ( DYE SENSITIZED SOLAR CELL ) LAPISAN TiO 2 /GRAFIT MENGGUNAKAN CAMPURAN PCBM:P3HT
Fandi Oktasendra 1 *, Sarinah Pakpahan 1 , Sampe Napitupulu 1 , Samsidar 1 , Nurhidayah 1 , Faizar Farid 2
1 Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Jambi, Mendalo Darat, Jambi 36361
2 Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Jambi, Mendalo Darat, Jambi 36361 E-mail: f.oktasendra@unja.ac.id

## Abstrak
Dalam penelitian ini telah berhasil dibuat prototipe sel surya organic tipe dye-sensitized solar cells (DSSC) lapisan TiO 2 /grafit  dengan  menambahkan  lapisan  aktif  polimer  campuran  phenyl-C61-butyric  acid  methyl  ester  (PCBM)  dan regioregular  poly(3-hexylthiophene)  (P3HT).  Dye  dari  ekstrak  buah  naga  digunakan  sebagai  photosensitizer  untuk menghasilkan  exciton.  Campuran  PCBM:P3HT  divariasikan  dengan  perbandingan  1:1,  1:2  dan  2:1  untuk  melihat pengaruh  dari  masing-masing  polimer.  Hasil  karakterisasi  absorbansi  menggunakan  UV-Vis  spektrometer  pada  lapisan TiO 2 /Grafit  yang  ditambahkan  dengan  lapisan  PCBM:P3HT  menunjukkan  peningkatan  nilai  serapan  pada  panjang gelombang 300  –  650 nm. Namun, peningkatan ini tidak sejalan dengan peningkatan nilai efisiensi sel  surya. Hasil pengukuran I-V karakteristik dibawah penyinaran sinar matahari langsung menunjukkan penurunan effisiensi sel surya sebesar 20.4% pada penambahan campuran PCBM:P3HT (1:1), 43.6% untuk PCBM:P3HT (1:2) dan 96.5% untuk PCBM:P3HT (2:1). Penurunan ini lebih disebabkan karena menurunnya nilai tegangan sirkuit terbuka,  V oc. Selain itu, nilai efisiensi sel surya yang rendah (yakni < 1%) disebabkan karena nilai rapat arus yang sangat kecil yakni pada orde beberapa mikro Ampere. Kami menduga kecilnya nilai rapat arus ini disebabkan oleh nilai resistansi internal yang cukup besar  pada  sel  surya  serta  berubahnya  peran  lapisan  PCBM:P3HT  yang  seharusnya  berfungsi  untuk  meningkatkan penghantaran exciton menjadi pusat rekombinasi. Hal ini mungkin disebabkan karena tebalnya lapisan PCBM:P3HT yang dibuat menggunakan metode drop-casting seperti yang ditunjukkan dari hasil karakterisasi SEM.
Kata Kunci: Sel surya DSSC, dye-sensitized, poly(3-hexylthiophene), [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, lapisan TiO 2 /Grafit.

## Abstract
[Title:  Development of a Solar Cell Prototype of TiO2/Graphite Based DSSC (Dye Sensitized Solar Cells) With Addition of PCBM:P3HT Blend Layer] We have successfully designed a prototype of Dye-sensitized solar cells (DSSC) based on TiO 2 /Graphite layer with the addition an active layer of mixed blend of phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) dan regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT). Dye extracted from the dragon fruit was used as a photosensitizer to create the excitons. PCBM:P3HT blends were varied with weight ratios of 1:1, 1:2, and 2:1 in order to  investigate  the  influence  of  each  polymer.  The  characteristic  of  UV-spectra  of  TiO2/Graphite  film  added  with  a PCBM:P3HT layer shows an increase of absorbance in the range of wavelength of 300 – 600 nm. However, this increase of absorbance is not followed by the increase of power conversion efficiency (PCE) of the solar cells. The current  – voltage characteristic measurement under illumination of direct sunlight shows a decrease of PCE of about 20% with the addition of 1:1 blend of PCBM:P3HT, 43.6 % for 1:2 blend and 96.5% for 2:1 blend. This decrease of PCE is mainly an effect of the decrease of the open circuit voltage, V oc . In addition, the PCE of the solar cells is considerably low, which is less than 1%. This is a consequence of the low of short circuit current density (Jsc), which is only in order of some micro Amperes. We suspect that the high internal sheet resistance in the cells might cause this low J sc . Furthermore, it could be affected by the role of PCBM:P3HT that has changed from as a transport layer for the excitons to as a center of recombination. This could be a result of thick layers of PCBM:P3HT, which were deposited by drop-casting method, as shown by the SEM images.
Keywords:  DSSC  solar  cells,  dye-sensitized,  poly(3-hexylthiophene),  [6,6]-phenyl-C61-butyric  acid  methyl  ester, TiO 2 /Graphite layer.

## PENDAHULUAN
Berkembangnya  penelitian  sel  surya generasi  ke  tiga  telah  banyak  menarik  perhatian semenjak  ditemukannya  sel  surya  berbasis dye tersintesisasi atau Dye-sensitized solar cell (DSSC) oleh grup  riset  Gratzel [1] .  Kelebihan  tipe  sel  surya  ini adalah  teknologi  berbiaya  rendah,  fabrikasi  yang mudah  dan  tidak  membutuhkan  teknologi  tinggi. Berbeda  dengan  sel  surya  konvensional,  DSSC adalah  sel  surya  fotoelektrokimia  sehingga menggunakan  elektrolit  sebagai  medium  transport muatan.  Selain  elektrolit,  DSSC  terbagi  menjadi beberapa  bagian  yang  terdiri  dari  nanopori  TiO 2 , molekul dye yang  terabsorpsi  di  permukaan  TiO 2 , dan  katalis  yang  semuanya  dideposisi  diantara  dua kaca  konduktif.  TiO 2 telah  banyak  digunakan  pada sel  surya  karena  efisiensi  yang  relative  tinggi[2-4], fabrikasi  yang  mudah  [5,6],  biaya  rendah  [7,8], toxisitas  yang  rendah  [8]  dan  stabilitas  berjangka panjang [9]. Namun, TiO 2 memiliki lebar pita yang besar  (Eg  =  3.2  eV)  sehingga  hanya  cocok  untuk panjang  gelombang  ultraviolet.  Berbagai  upaya dilakukan  untuk  menurunkan  lebar  pita  ini, diantaranya  dengan  mendoping  dengan  serbuk grafit.  Farid,  dkk  melaporkan  lebar  pita  TiO 2 sebesar  2.2  eV  diperoleh  pada  pendopingan  14% grafit [10].
Polimer  yang  berasal  dari  turunan fulllerenes  (C60)  telah  banyak  menarik  perhatian karena  sifatnya  yang  bagus  untuk  mentransfer pembawa  muatan  [11].  Salah  satu  yang  banyak digunakan  pada  sel  surya  adalah  poly(3- hexylthiophene)  (P3HT)  dan  [6,6]-phenyl-C61- butyric  acid  methyl  ester  (PCBM).  Keunggulan P3HT  adalah  bisa  berperan  sebagai  donor  dan memiliki mobilitas hole yang lebih tinggi (10 –4 −10 –2 cm 2 V –1 s –1 )  serta  stabilitas  lingkungan  yang  bagus
[12,13].  PCBM  berperan  sebagai  akseptor  yang memiliki  kemampuan  transfer  elektron  yang  lebih bagus  dan  juga  afinitas  elektron  yang  lebih  tinggi. Pada  penelitian  ini,  kita  mencoba  untuk menggunakan  campuran  PCBM:P3HT  sebagai lapisan pentransfer pembawa muatan.

## METODE
Substrat kaca FTO dengan ukuran 10 x 10 cm dibeli dari SOLARONIX, Swiss. Serbuk poly(3- hexylthiophene) (P3HT) dibeli dari Richest Group, China  dan  [6,6]-phenyl-C61-butyric  acid  methyl ester  (PCBM)  dibeli  dari  Sollene  BV,  Belanda. Kedua serbuk tidak mendapat perlakuan lebih lanjut sebelum  digunakan.  Serbuk  TiO 2 teknis  dan  grafit dibeli dari Bratachem, Indonesia.
Kaca  FTO  dipotong  dengan  ukuran  2.5  x 1.5 cm, lalu dibersihkan dengan Ultrasonic Cleanser dan  aseton  selama  10  menit.  Pasta  TiO 2 dibuat dengan  menambahkan  2  gr  polivinil  alcohol  (PVA) ke  dalam  20  ml  aquades  lalu  distirer  selama  10 menit pada suhu 80 o C. Sebanyak 2 gr serbuk TiO 2 dimasukkan  ke  dalam  larutan  tadi  lalu  diaduk  dan kemudian ditambahkan serbuk grafit sebanyak 14% yang  telah  dilarutkan  dalam  1  ml  aquades.  Pasta yang  telah  dibuat  lalu  dideposisikan  pada  substrat kaca  dengan  metode doctor  blade sehingga membentuk  daerah aktif  dengan  dimensi  1.5  x  1.5 cm 2 .
Setelah pemanasan pada hot plate selama 30 menit,  subtract  kaca  dicelupkan  dalam  larutan dye buah  naga  selama  15  menit.  Larutan dye disiapkan dengan merendam potongan-potongan buah naga ke dalam pelarut 25 ml methanol, 4 ml asam asetat dan 20  ml  akuades  selama  24  jam.  Setelah  larutan dye terabsorbsi  secara  sempurna  pada  lapisan TiO 2 /C14%,  larutan  PCBM:P3HT  yang  dilarutkan ke  dalam  pelarut  chloroform  dideposisikan  dengan metode  drop-casting.  Larutan  PCBM:P3HT  dibuat dengan  perbandingan  massa  1:1,  1:2  dan  2:1 sehingga  membentuk  larutan  polimer  konduktor dengan  konsentrasi  15  mg/mL.  Sebagai  counter electrode,  serbuk  grafit  diarsirkan  pada  kaca  FTO lalu  bakar  sampai  jelaga  api  menutupi  permukaan konduktif  FTO.  Sel  surya  DSSC  dibuat  dengan menjepitkan  kaca  FTO  yang  terdiri  dari  lapisan TiO 2 /C14%/ dye /PCBM:P3HT dan counter electrode  dengan  meninjeksikan  larutan  elektolit KI+I 2 diantara kedua kaca tersebut. Ilustrasi stuktur DSSC yang dibuat ditunjukkan seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur sel surya DSCC.
Pengkarakerisasian lapisan TiO 2 /C14% dan PCBM:P3HT  dilakukan  dengan  uji  kekristalan dengan alat XRD, uji morfologi dengan SEM dan uji absorbansi  dengan  UV-Vis  spektrometer.  Uji  XRD dilakukan  di  Fakultas  Sains  dan  Teknologi,
Universitas Jambi, uji SEM di Balai Tekstil Bandung, dan  UV-Vis  di  Lab  Terpadu  Universitas  Jambi. Pengukuran  karakteristik  I-V  dilakukan  dengan mengukur  tegangan  dan  arus  menggunakan multimeter di bawah penyinaran matahari langsung di FST Unja pada tengah hari.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kita  telah  membuat  peralatan  sel  surya DSSC lapisan TiO 2 yang didoping dengan grafit 14%
(selanjutnya disebut TiO 2 /C14%) dengan mengabsorbsikan larutan dye dari ekstrak buah naga pada lapisan tersebut dan mendeposisikan campuran PCBM:P3HT dengan rasio massa 1:1, 1:2 dan 2:1 di antara  lapisan  TiO 2 /C14%/ dye dan  elektrolit.  Uji kekristalan setiap lapisan dengan menggunakan XRD menghasilkan pola difraksi seperti yang ditunjukkan pada  Gambar  2.  Pola  difraksi  dari  lapisan TiO 2 /C14% seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2  (a)  memperlihatkan  puncak-puncak  yang bersesuaian  dengan  yang  dimiliki  oleh  fase  anatase berdasarkan  analisis  data  JCPDS.  Hasil  ini  sesuai dengan  yang  diperoleh  pada  penelitian  sebelumnya [10]  dimana  lapisan  TiO 2 /C14%  memiliki  struktur kristal  tetragonal.  Dari  puncak  tertinggi  pada orientasi  100  dapat  dihitung  ukuran  Kristal  dengan menggunakan  metode  Debye  Scheerer  dimana diperoleh  ukuran  Kristal  sekitar  74  nm.  Nilai  ini sedikit lebih besar dari yang dilaporkan sebelumnya yaitu  sekitar  52  nm.  Spektrum  difraksi  XRD  dari lapisan  campuran  PCBM:P3HT  yang  telah dipanaskan dalam oven pada suhu 100 o C selama 10 menit (Gambar 2 (b)) menunjukkan terdapatnya fase Kristal yang ditandai dengan puncak pada sudut 2   5.2 o untuk  campuran  dengan  rasio  1:1  dan  2:1. Meskipun  pada  referensi  [14]  dilaporkan  bahwa penambahan  jumlah  PCBM  dalam  campuran  dapat mengganggu  pembentukan  fase  kekristalan,  namun dengan  adanya  proses  pemanasan  kristanilitas  dari lapisan dapat ditingkatkan.
Gambar 2. Pola XRD dari (a) Lapisan TiO 2 /C14% dan (b) PCBM:P3HT setelah dilakukan pemanasan dalam oven pada suhu 100 o C selama 10 menit
Gambar 3.   Hasil  scan  menggunakan  SEM  pada permukaan lapisan TiO 2 /C14% dengan perbesaran  (a)  5.000  kali  dan  (b) 10.000 kali.
Gambar  3  menunjukkan  hasil  scan  permukaan lapisan  TiO 2 /C14%  dengan Scanning  Electron Microscope (SEM)  JSM-6510  pada  perbesaran  yang berbeda.  Dari  bentuk  morfologi  lapisan  terlihat partikel  TiO 2 /C14%  tersebar  cukup  merata  dan homogen  dengan  ukuran  partikel  berada  pada rentang 0.215 – 0.354  m. Selain itu, uji SEM juga dilakukan  pada  penampang  melintang  sel  surya untuk  melihat  ketebalan  setiap  lapisan  seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 4. Terlihat bahwa lapisan TiO 2 /C14%  memiliki  ketebalan  sekitar  0.5  mm. Hal  yang  perlu  menjadi  perhatian  di  sini  adalah bahwa  lapisan  PCBM:P3HT  memiliki  ketebalan yang  cukup  tinggi  yaitu  sekitar  2.5  mm.  Teknik pendeposisian PCBM:P3HT dengan cara drop-casting tidak  dapat  memhasilkan  lapisan  yang  cukup  tipis. Dari  citra  SEM  tersebut,  terlihat  pelarut  masih terkandung  dalam  lapisan.  Namun,  Kristal  polimer sudah terbentuk yang berada diantara pelarut seperti yang ditunjukkan pada perbesaran gambar (Gambar 4 kiri).
In te n s ity (a.u .) 80 60 40 20 2  (degree) 100 103 004 112 200 105 211 204 116 220 215
In te ns ity (a .u .) 8 7 6 5 4 2  (degree) PCBM:P3HT (1:1) Annealed PCBM:P3HT (2:1) Annealed (a) (b)
Gambar 4.   Hasil  scan  SEM  pada  penampang melintang lapisan TiO 2 /C14%/ PCBM:P3HT  yang  dideposisikan  pada substrat  kaca  FTO  (kanan).  Gambar yang  diperbesar  (kiri)  memperlihatkan bentuk polimer campuran PCBM:P3HT
.
Hasil pengukuran absorbansi lapisan
TiO 2 /C14%  dan  yang  ditambahi  dengan  lapisan PCBM:P3HT  dengan  rasio  1:1,  2:1  dan  1:2 ditunjukkan  oleh  Gambar  5. Pengukuran  dilakukan pada  rentang  panjang  gelombang  300  –  750  nm. Dari  hasil  ini  dapat  dilihat  bahwa  nilai  absorbansi lapisan yang ditambahi dengan lapisan PCBM:P3HT mengalami peningkatan dibandingkan dengan lapisan TiO 2 /C14%  saja.  Peningkatan  nilai  absorbansi terjadi  pada  rentang  350  –  650  nm  yakni  pada rentang cahaya tampak. Pada campuran PCBM:P3HT  1:1  terlihat  puncak  absorbsi  pada panjang gelombang 525 nm dan 343 nm.
Gambar 5.   Spektum absobansi UV-Vis dari lapisan TiO 2 /C14% dan dengan penambahan lapisan PCBM:P3HT dengan rasio 1:1, 1:2, dan 2:1.
Hasil pengukuran karakteristik I-V pada sel surya  DSSC  ditunjukkan  pada  Gambar  6. Parameter-parameter  performansi  sel  surya  seperti rapat  arus  short  circuit,  J sc ,  tegangan  open  circuit V oc , Fill Factor FF dan effisiensi  ditabulasikan pada Table  1.  Dari Tabel  1  dapat dilihat  bahwa  efisiensi tertinggi  diberikan  oleh  sel  surya  tanpa  ditambah dengan  campuran  PCBM:P3HT.  Penambahan PCBM:P3HT  justru  malah  menurunkan  nilai effisiensi  terutama  melalui  penurunan  nilai  V oc .
Penurunan effisiensi 20.4% diperoleh jika ditambahi
lapisan  PCBM:P3HT  rasio  1:1.  Sedangkan penurunan  effisiensi  43.6  %  dan  96.5  %  diberikan oleh penambahan lapisan PCBM:P3HT rasio 1:2 dan 2:1. Hal ini tentu tidak sesuai dengan hipotesa awal dimana penambahan PCBM:P3HT dapat meningkatkan  nilai  efisiensi.  Ketidak  sesuaian  ini mungki saja disebabkan karena lapisan PCBM:P3HT yang  dibuat  dengan  metode  drop-casting  sangat tebal sehingga PCBM:P3HT tidak bisa menghantarkan  exciton  dengan  baik  dan  malah menjadi pusat rekombinasi. Selain itu, nilai resistansi
Kac a FT O TiO 2 /C14 PCBM/P3HT
internal pada lapisan PCBM:P3HT yang cukup besar yakni  sekitar  400  Ohm/cm 2 juga  berperan mengurangi nilai efisiensi. Nilai resistansi internal ini juga  berperan  dalam  memberikan  nilai  rapat  arus yang  kecil.  Kecilnya  nilai rapat arus  berakibat  pada kecilnya nilai effisiensi yakni < 1%.
Rasio  massa  PCBM:P3HT  juga  menarik perhatian  pada  hasil  pengukuran  I-V  karakteristik
ini.  Nilai  efisiensi  terbesar  diperoleh  pada  rasio massa  1:1  yakni  0.23%.  Pada  rasio  massa PCBM:P3HT  1:2,  nilai  efisiensi  turun  menjadi 0.16%  karena  menurunnya  nilai  J sc meskipun  nilai V oc mengalami  peningkatan.  Pada  rasio  massa PCBM:P3HT  2:1,  penurunan  efisiensi  sangat signifikan mejadi 0,01 % disebabkan karena nilai V oc yang sangat kecil.
Gambar  6.  Kurva  karakteristik  rapat  arus  terhadap  tegangan  dari  sel  surya  pada  penyinaran  di  bawah matahari langsung dengan kerapatan sinar 100 mW/cm 2 (AM 1.5) dan daerah aktif 1.25 cm 2
Tabel 1. Parameter karakteristik rapat arus-tegangan dari sel surya DSSC dengan tanpa PCBM:P3HT, dan dengan PCBM:P3HT  dengan  rasio  1:1,  1:2  dan  2:1  di  bawah  penyinaran  AM  1.5,  P in =  100  mW/cm 2 , daerah aktif 1.25 cm 2 .
V oc (mV) J sc (  A/cm 2 ) FF (%)  (%) TiO 2 /C14% 123.8 2.5 21.3 0.293 PCBM:P3HT (1:1) 80.5 2.3 28.3 0.233 PCBM:P3HT (1:2) 92.7 1.6 25 0.165 PCBM:P3HT (2:1) 3.8 2.5 28 0.01

## SIMPULAN DAN SARAN
Pada penelitian kita telah berhasil membuat prototype  sel  surya  DSSC  dengan  struktur FTO/TiO 2 /C14%/ dye /PCBM:P3HT/Elektrolit/G rafit/FTO.  Penambahan  lapisan  PCBM:P3HT mampu meningkatkan daya absorbansi pada rentang panjang  gelombang  300  –  600  nm.  Namun, meningkatkanya  daya  absorbansi  ini  tidak  sejalan
dengan  meningkatknya  nilai  efisiensi.  Efisiensi mengalami  penurunan  sebesar  20.4  %  pada penambahan  PCBM:P3HT  rasio  massa  1:1, penurunan  43.6%  pada  PCBM:P3HT  1:2  dan 96.5% pada rasio 2:1. Meskipun demikian, efisiensi yang diperoleh juga sangat kecil (<1%) dikarenakan nilai rapat arus yang kecil. Efisiensi terbesar dari sel surya  dengan  lapisan  PCBM:P3HT  diperoleh  pada rasio massa 1:1 yaitu sebesar 0.23%.
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Rapa t a rus (  A /c m 2 ) 140 120 100 80 60 40 20 0 Tegangan (mV) TiO 2 /C14 tanpa PCBM:P3HT ;  = 0.29%
PCBM:P3HT 1:1 ;  = 0.23% PCBM:P3HT 1:2 ;  = 0.16%
PCBM:P3HT 2:1 ;  = 0.01%

## DAFTAR PUSTAKA
A. Islam, S. P. Singh, M.  Yanagida, M. R. Karim, and  L.  Han,  Int.  J.  Photoenergy  (2011): article ID 75742.
Alem  S,  de  Bettignies  R,  Nunzi  J,  et  al.(2004)  :
Efficient  polymer-based  interpenetrated  network photovoltaic  cells .  App1  Phys  Lett,  84:
2178−2180.
A. R. Zainun, S. Tomoya, U. M. Noor, M. Rusop, and I. Masaya, Mater. Lett. 66, 254 (2012).
B.  O’Regan  and  M.  Gratzel.  (1991):  Nature  353, pp. 338.
B. O’Regan and M. Gra¨tzel. (1991):  Nature 353, 737.
Faizar  Farid,  Heriyanti,  Disain  Prototipe  Sel  Surya DSSC  ( Dye Sensitized  Solar  Cell)  Lapisan Grafit/TiO2  Berbasis Dye Alami,  Penelitian Kelompok, Universitas Jambi. Jambi. 2015.
Ma W, Yang C, Gong X, et al. (2005)  : Thermally stable,  efficient  polymer  solar  cells  with  nanoscale control of the interpenetrating network morphology . Adv Funct Mater, 15: 1617−1622.
S. P. Singh, A. Islam, M. Yanagida, and L. Han, Int. J. Photoen. (2011):  520848.
P.A. Liddell, Paul A. Liddell, J. P. Sumida, A. N. Macpherson,  L.  Noss,  G.  R.  Seely,  K.  N. Clark,  A.  L.  Moore,  T.  A.  Moore,  D.  Gust. (1994) : Photochem . Photobiol. 60, pp. 537.
P. Joshi, Y. Xie, M. Ropp, D. Galipeau, S. Bailey, and  Q.  Qiao.  (2009): Energy  Environ .  Sci.  2,
333.
P. M. Sommeling, M. Spa¨th, H. J. P. Smit, N. J. Bakker,  and  J.  M.  Kroon,  J.  Photochem. Photobiol. A. (2004) : Chem. 164, 137.
P.  Vanlaeke,,  A.  Swinnen,  I.  Haeldermans,  G. Vanhoyland,  T.  Aernouts,  D.  Cheyns,  C. Deibel,  J.  D’Haen,  P.  Heremans,  J. Poortmans, J.V. Manca. (2006) : Solar  Energy
Materials & Solar Cells 90 2150–2158.
Y.  Chiba,  A.  Islam,  Y.  Watanabe,  R.  Komiya,  N. Koide, and L. Han, Jpn. J. Appl.(2006): Phys. 45, L638.
Z. Huang, X. Liu, K. Li, D. Li, Y. Luo, H. Li, W. Song,  L.  Q.  Chen,  and  Q.  Meng,  (2007)  : Electrochem . Commun. 9, 596.