Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
KOPOLIMER HIBRID TMSPMA:TEMS SEBAGAI MATRIKS IONIK PADA SEL SURYA TERSENSITISASI DYE
Annisa Aprilia 1, a) , Waode Sukmawati Arsyad 2 , R.N. Lamuda 1 , Fitrilawati 1 , Norman Syakir 1 , Rahmat Hidayat 3
1 Departemen Fisika, FMIPA, Universitas Padjadjaran, Jl. Raya  Bandung-Sumedang KM 21, Jatinangor 45363, Jawa Barat
2 Departemen Fisika FMIPA Universitas Halu Oleo, Anduonohu 93232, Kendari, Sulawesi Tenggara
3 Departemen Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesa 10 Bandung 40132, Jawa Barat
Email: a) a.aprilia@phys.unpad.ac.id

## Abstrak
Beberapa  tipe  elektrolit  pada  divais  DSSC  ( dye  sensitized  solar  cell )  yang  telah  banyak  diteliti  dan digunakan  yaitu  elektrolit  padat,  semi  padat  dan  cair.  Pada  divais  DSSC  konvensional,  penggunaan elektrolit  cair  umumnya  menghasilkan  efisiensi  yang  relatif  lebih  tinggi  berkaitan  dengan  tingginya mobilitas muatan. Permasalahan dalam penggunaan elektrolit cair yaitu kemungkinan adanya kebocoran divais. Salah satu upaya dalam mengatasi hal tersebut adalah dengan menggunakan elektrolit padat atau semi padat. Penelitian kali ini mencoba menggunakan elektrolit semi-padat (EGP-elektrolit gel polimer) berbasis polyetylene  glikol (PEG)  yang  dimodifikasi  dengan  penambahan  kopolimer  hibrid TMSPMA:TEMS  (3:1)  sebagai  matriks  bagi  larutan  ionik  ( mosalyte ).  Untuk  mengetahui  pengaruh matriks  kopolimer  hibrid  pada  EGP,  dilakukan  karakterisasi  EIS  ( electrochemical  impedance spectroscopy )  pada  bagian  elektrolit  gel,  yang  kemudian  dilanjutkan  dengan  pembuatan  divais  DSSC berstruktur FTO/ TiO 2 / Ru-dye/ EGP / Pt / FTO. Karakteristik sel surya terbaik yang elektrolit gelnya mengandung kopolimer TMSPMA:TEMS memiliki nilai rapat arus (J sc ) sebesar 3,7 mA/cm 2 , tegangan terbuka  (V oc )  0,56  Volt,  dan  efisiensi  3,65  %  dengan  daya  masukan  (P in )  yang  digunakan  sebesar  36 mW/cm 2 .
Kata-kata  kunci :  Kopolimer  hibrid,  larutan  ionik,  sel  surya  DSSC,  elektrolit  gel,  spektroskopi impedansi.

## Abstract
Three  types  of  electrolyte  on  dye  sensitized  solar  cell  (DSSC)  are  liquid,  solid  state,  and  quasi-solid phase  electrolytes.  Among  these  electrolytes  quasi-solid  phase  was  expected  could  be  handle  some  of disadvantages  both  of  liquid  and  solid  state  phase  on  device  peformance  related  to  leakage  (for  liquid phase) and low ionic diffusion (for solid state phase). In conventional DSSC using liquid electrolyte a better  efficiency  can  achieved  by  high  ionic  mobility  but  it  is  easy  to  leak  leading  to  lower  durabilty performance. In order to enhance durability, many researcher were change the liquid phase by solid state or quasi solid as its electrolyte. This research also try to study the effect of quasi solid electrolyte based on polyetylene glicol modified by hybrid copolymer precursor TMSPMA: TEMS (3:1) as a matrix for ionic liquid. This kind electrolyte is called as polymer gel electrolyte (PGE). Impedance characteristics for PGE was carried out to study electrical characteristics and subsequently applied on solar cell device with  structure  FTO/  TiO 2 /  Ru-dye/  PGE  /  Pt  /  FTO.  Solar  cell  device  with  PGE  that  consist  both  of polyetylen glicol and copolymer TMSPMA:TEMS  have an efficiency of 3.65% under light source P in =
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.012.15
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
36 mW/cm 2 irradiation with short-circuit current density of 3.7 mA/cm 2 and open circuit voltage of 0.56 volt was obtained.
Keywords : hybrid copolymer, ionic liquid, polymer gel electrolyte, impedance spectroscopy.

## 1. PENDAHULUAN
Teknologi  sel  surya  tersensitasi  dye  ( dye  sensitized  solar  cell )  atau  yang  dikenal  dengan  istilah DSSC  memperlihatkan  peningkatan  kinerja  yang  signifikan,  berkaitan  dengan  ditemukannya berbagai  material  baru  dan  inovasi  struktur  pada  material  penyusunnya.  Peningkatan  efisiensi  pada tipe DSSC menggunakan elektrolit cair telah mencapai 12,3 % pada tahun 2011 [1]. Salah satu upaya untuk meningkatkan kinerja sel surya DSSC adalah dengan mengoptimasi bagian elektrolit. Terdapat 3  tipe  DSSC  berdasarkan  jenis  elektrolitnya  yaitu  DSSC  cair,  semi  padat  ( quasi-solid )  dan  padat. Pada  elektrolit  padat  (polimer  atau  semikonduktor  tipe-p)  telah  dianggap  kurang  maksimal  dalam menghantar  muatan,  disebabkan  oleh  rendahnya  difusi  ionik  dalam  matriks  polimer,  sedangkan elektrolit cair dinyatakan mudah mengalami kebocoran [2].  Penggunaan elektrolit semi-padat (fasa gel)  diharapkan  dapat  mengatasi  kekurangan  kedua  elektrolit  tersebut  (cair  dan  padat),  serta diasumsikan  dapat  menghasilkan  kinerja  sel  yang  lebih  baik  [2,3].  Elektrolit  pada  sistem  DSSC berperan  dalam  mentrasportasikan  muatan  yang  dihasilkan  pada  bagian dye. Penggunaan  elektrolit gel  diupayakan  dapat  meningkatkan  durabilitas/daya  tahan  divais  bila  dibandingkan  dengan  divais DSSC konvensional ber-elektrolit (cair) serta menawarkan kemudahan dalam fabrikasi dibandingkan dengan DSSC berbahan padat.
Beberapa studi mengenai penggunaan matriks berbasis siloksan (polimer hibrid) sebagai medium bagi larutan ionik (cairan elektrolit) sehingga membentuk polimer gel elektrolit (PEG), telah banyak diteliti dan dikembangkan. Salah satunya adalah yang berbasis TMSPMA (3-( Trimethoxysilyl) propyl methacrylate )  yang  telah  diketahui  bahwa  menunjukkan  kinerja  divais  yang  sebanding  dengan menggunakan  elektrolit  cair  [4].  Selain  itu  peneliti  lain  telah  memvariasikan  bagian  elektrolit  gel dengan  penambahan  molekul  dye,  sehingga  dapat  meningkatkan  efisiensi  divais  [5].  Penelitian  ini akan membahas penggunaan jenis elektrolit gel berbasis polyetilen glikol yang dimodifikasi dengan kopolimer  hibrid  TMSPMA:  TEMS  ( triethoxymethylsilane )  sebagai  matriks  bagi  cairan  ionik. Penggunaan  matriks  kopolimer  hibrid  (gabungan  dari  dua  polimer)  tersebut  pada  politelen  glikol bertujuan  untuk  meningkatkan  viskositas,  sedangkan  polietilen  glikol  merupakan  salah  satu  jenis polimer yang bersifat polar sehingga dapat meningkatkan mobilitas pembawa muatan [6].

## 2. METODE PENELITIAN
Proses  persiapan  elektrolit  gel,  dimulai  dari  proses  sintesis  prekursor  kopolimer  hibrid menggunakan  monomer  3-( Trimethoxysilyl)  propyl  methacrylate )  (TMSPMA)  dan  monomer Triethoxymethylsilane (TEMS)  (3:1)  mengikuti  prosedur  yang  telah  dilakukan  sebelumnya  [7,8]. Pembuatan elektrolit gel yaitu dengan menambahkan kopolimer hibrid poli (TMSPMA-TEMS) pada polietilen glikol dengan pelarut yang digunakan adalah propilen karbonat (PC), kemudian dilanjutkan pada  pembuatan  elektrolit  gel  menggunakan  medium  komposit  dan  cairan  ionik  mosalyte  (mos). Sedangkan proses fabrikasi divais berstruktur FTO/ TiO 2 / Ru-dye/ EGP / Pt / FTO, dimulai dengan proses  pelapisan  pasta  TiO 2 T/SP  (solaronix  SA)  menggunakan  teknik screen  printing sebanyak  3 kali pelapisan pada substrat FTO ( fluorine tin oxide; 13  /cm 2 ). Dalam upaya meningkatkan serapan dye ,  maka  dilakukan  pula  pelapisan microchannel TiO 2 -MC  (solaronix  SA)  setelah  pasta  TiO 2 mengalami  pemanasan  hingga  500  C  selama  30  menit  untuk  proses  kristalisasi.  Ruthenium dye N719  (solaronix)  digunakan  sebagai dye yang  dilarutkan  etanol  dengan  menambahkan chenodeoxolicacid  dengan  perbandingan  1:10.  Perendaman  lapisan  fotoanoda  di  dalam  larutan  dye dilakukan  selama  semalaman.  Untuk  memaksimalkan  serapan dye pada  pori-pori  titania,  proses perendaman  dimulai    pada  saat  fotoanoda  bertemperatur  60  C.  Sampel  yang  telah  mengalami perendaman  kemudian  dibilas  dengan  acetonitril  untuk  menghilangkan  partikel dye yang  tidak terserap. Selanjutnya adalah proses perakitan sel surya dengan menggunakan suryln (solaronix SA)
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
berketebalan 25  m  yang  kemudian ditumpuk dengan FTO yang telah terlapisi Pt (platina) sebagai counter electrode yang memiliki lubang sebagai akses bagi elektrolit.
Elektrolit gel polimer (EGP) yang terdiri dari beberapa variasi komposisi kemudian diinjeksikan menggunakan  vakum syringe ke  dalam  sel,  diakhiri  dengan  menutup  lubang  akses  menggunakan tape (selotip)  transparan.  Beberapa  pengukuran  meliputi  spektroskopi  impedansi  khusus  untuk bagian  elektrolit  gel  (PEG)  dilakukan  untuk  mengetahui  sifat  listrik  dari  elektrolit  gel  tersebut. Sedangkan  untuk  mengetahui  pengaruh  penambahan  kopolimer  hibrid  dalam  PEG  terhadap  kinerja divais,  dilakukan  pengukuran  karakteristik  arus-tegangan  (kurva  I-V)  menggunakan  sumber  arus- tegangan  Yokogawa  GS200  dan  multimeter digital  Yokogawa  7555  beserta  sumber  lampu  halogen Philips dengan intensitas daya sebesar 36 mW/cm 2 .

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk mengetahui pengaruh penggunaan berbagai jenis medium bagi cairan ionik mosalyte yang terdiri  dari  matriks  berbasis  polietilen  glikol  dan  kopolimer  hibrid  TMSPMA:TEMS,  pengukuran spektroskopi  impedansi  dilakukan  hanya  pada  bagian  elektrolit  saja,  dengan  struktur  konfigurasi seperti pada gambar 1(a).
GAMBAR 1. (a) Struktur persambungan pada pengukuran EIS untuk bagian elektrolit gel polimer(EGP). (b) Rangkaian ekivalen untuk medium matriks ionik.
Beberapa  parameter  resistansi  dan  kapasitansi  hasil  dari  pengukuran  spektroskopi  impedansi elektrolit gel polimer dengan variasi komposisi diperlihatkan pada tabel 1 dengan diagram ekivalen yang  bersesuaian  diperlihatkan  pada  gambar  1(b),  sedangkan  kurva  Nyquist  diperlihatkan  pada gambar 2. R s merupakan hambatan seri elektroda FTO/Pt, R t adalah resistansi transfer muatan pada persambungan  Pt/EGP  sedangkan  Z w menyatakan  impedansi  difusi  ionik  muatan  di  dalam  matriks EGP.  Berdasarkan  hasil  pengukuran  diketahui bahwa elektrolit  gel  polimer  (EGP)  yang  terdiri  dari kopolimer hibrid memiliki karakteristik difusi ionik yang ditunjukkan dengan keberadaan impedansi warburg  (Z w )  [9].  Sampel  dengan  matriks  yang  hanya  terdiri  dari  kopolimer  saja  (tanpa  propilen karbonat)  memiliki  nilai  Z w paling  besar.  Hal  tersebut  berkaitan  dengan  sifat  transport  massa  (ion- ion)  yang  bergerak  di  dalam  matriks  kopolimer  (A)  lebih  lambat  dibandingkan  ketika  berada  di dalam  matriks  kopolimer  yang  mengandung  pelarut  propilen  karbonat  (B  dan  C).  Selain  itu  nilai kapasitansi  medium  elektrolit  gel  (C (EGP/Mos) ) memperlihatkan  nilai  yang  semakin  membesar  seiring dengan  penambahan  pelarut  propilen  karbonat  (PC)  ataupun  polietilen  glikol  (PEG).  Sedangkan untuk  elektrolit  sampel  D  (PEG:Mos)  nilai  kapasitansi  bernilai  paling  kecil  yang  mengindikasikan bahwa ion lebih mudah bergerak didalam medium tersebut [2,3]. Nilai R s merupakan besar resistansi kontak ohmik antara medium EGP dengan elektroda dan memperlihatkan orde yang sebanding pada seluruh sampel. Sama halnya dengan nilai resistansi transfer muatan antara FTO dan EGP, walaupun sampel  C  memiliki  nilai  R t dengan  orde  lebih  besar,  hal  ini  dapat  disebabkan  oleh  penggabungan kopolimer  dan  PEG,  disatu  sisi  menurunkan  proses  difusi  ionik  elektrolit  (tidak  adanya  impedansi Warburg) tetapi meningkatkan resistansi dibagian persambungan elektroda dan elektrolit (R t(Pt/EGP) ).
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 2. Kurva Ny-Quist untuk elektrolit gel struktur (FTO/EGP/Pt/FTO). Sampel (A) kopolimer:Mos, (B) Kopolimer:PC: Mos, (C) Kopolimer:PEG:Mos dan (D) PEG:Mos.
Untuk  mengetahui  peranan  EGP  sebagai  elektrolit  pada  sistem  DSSC,  kemudian  dilakukan pengukuran  karakteristik  arus-tegangan  (I-V)  pada  divais  dengan  Struktur  persambungan  yang dibentuk  adalah  FTO/TiO 2 /Ru-dye/EGP/Pt/FTO.  Hasil  pengukuran  dapat  dilihat  pada  gambar  3 dengan masing-masing parameter hasil pengukuran diperlihatkan pada tabel 2.
GAMBAR 3. Kurva karakteristik arus-tegangan pada divais sel surya dengan variasi elektrolit gel.
TABEL 1. Hasil pengukuran spektroskopi impedansi (hambatan dan kapasitansi) dari medium elektrolit gel
Jenis elektrolit R s (  ) R t(Pt/EGP) (  ) R ct (EGP) (  ) Z w (  ) C (Pt/EGP) (  F) C (EGP/Mos)
(  F) Kopolimer:Mos (A) 544 7K - 1,8 x 10 5 0,58 1 Kopolimer:PC:Mos (B) 680 3,7K - 0,8 K 6,4 5 Kopolimer:PEG:Mos (C) 411 31K 5,7K - 0,87 7,7 PEG:Mos (D) 118 3,8K 4,4K - 60 0,98
Tabel 2. Parameter karakterisasi arus tegangan pada divais DSSC semi padat dengan daya input yang digunakan sebesar 36 mW/cm 2 . Sampel Divais V oc (V) J sc (mA/cm 2 ) FF (%) Eff (%) A 0,53 3,65 53 2,86 B 0,58 3,68 52 3,05 C 0,56 3,7 60 3,65 D 0,60 4,15 59 3,95
Efisiensi  sel  tanpa  menggunakan  kombinasi  kopolimer  TMSPMA:TEMS  (sampel  D)  memiliki nilai efisiensi yang paling besar bila dibandingkan dengan penggunaan elektrolit lainnya. Tentu saja hal  ini  berkaitan  dengan  polimer  PEG  (polietilen  glikol)  yang  termasuk  polimer  bersifat  polar  [3] sehingga  memiliki  nilai  konduktifitas  ionik  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  ketiga  sampel  lainnya. Walaupun  demikian  penurunan  efisiensi  akibat  penambahan  kopolimer  sebagai  matriks  ionik  tidak
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
terlalu besar, sehingga penggunaan kopolimer tersebut masih dapat dipotimalkan [4,6]. Berdasarkan pengamatan  kekentalan  secara  visual,  penambahan  kopolimer  meningkatkan  viskositas  secara signifikan dibandingkan dengan matriks PEG saja, sehingga diketahui secara jelas peranan kopolimer adalah  meningkatkan  viskositas  walau  disisi  lain  dapat  menurunkan  mobilitas  ionik.  Penurunan mobilitas  ionik  tersebut berdampak  pula  pada  nilai  rapat  arus  yang  dihasilkan  (tabel 2).  Rapat arus (J sc ) pada sel mengalami peningkatan seiring dengan penambahan PC dan PEG. Tetapi penambahan kopolimer  pada  sampel  C  menyebabkan  peningkatan  nilai fill  factor (FF).  Hal  ini  dapat  dikaitkan dengan  sifat  kapasitansi  (C (Pt/EGP) )  di  persambungan  antara  elektrolit  dan  elektroda  pada  sampel  C lebih  kecil  dibandingkan  dengan  sampel  D  (tabel  1).  Sifat  kapasitansi  yang  lebih  kecil mengindikasikan  bahwa  sifat  kapasitif/menyimpan  muatan  berkurang  sehingga  dapat  dikaitkan dengan  transport  muatan  di  daerah  tersebut  lebih  tinggi  dan  memiliki  kecenderungan  mobilitas pembawa muatan yang seimbang antara dua elektroda dibandingkan sampel lainnya.

## 4. KESIMPULAN
Matriks  polimer  yang  terdiri  dari  gabungan  antara  kopolimer  hibrid  TMPSMA:TEMS  (3:1)  dan polimer  polietilen  glikol  (PEG)  dapat  berfungsi  untuk  menjebak  larutan  ionik  mosalyte,  sehingga berperan  sebagai  elektrolit  gel  (elektrolit  gel  polimer-EGP)  pada  sistem  sel  surya  tersensitisasi  dye (DSSC). Penambahan kopolimer hibrid tersebut berperan untuk meningkatkan kekentalan/viskositas EGP sehingga diharapkan tidak mudah mengalami kebocoran. Diketahui bahwa penambahan matriks kopolimer  hibrid  menyebabkan  konduktifitas  ionik  menurun  bila  dibandingkan  dengan  hanya menggunakan polimer PEG sebagai matriks ionik. Penurunan konduktifitas ionik tersebut berkaitan dengan sifat non-polar dari gel kopolimer hibrid dan menyebabkan mobilitas ion terhambat sehingga sel  mengalami  penurunan  efisiensi.  Walau  demikian  gabungan  antara  PEG,  kopolimer TMPSMA:TEMS dan pelarut propilen karbonat (PC) memperlihatkan peningkatan efisiensi sel dari 2,86% menjadi 3,65%, sehingga penambahan TMSPMA:TEMS dapat dioptimalkan penggunaannya agar kinerja divais dapat meningkat dan mampu menyaingi penggunaan elektrolit berfasa cair.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada  Direktorat  Penelitian  dan  Pengabdian  kepada Masyarakat  (DRPM)  Universitas  Padjadjaran  untuk  mendanai  penelitian  Desentralisasi  (Penelitian Unggulan  Tinggi)  Tahun  Anggaran  2015  DIPA  UNPAD  berdasarkan  surat  penugasan  nomor. 393/UN6.R/PL/2015 pada tanggal 16 Februari 2015.

## REFERENSI
[1] Y.Meidan,  W  Xiaoru,  W.  Mengye,  I.  James,  Z.  Nan,  L.  Ahangjian  and  L.  Zhiqun,  Recent andvances  in  dye-sensitized  solar  cells:  from  photoanodes,  sensitizers,  and  electrolytes  to counter electrode, Materials Today, Vol. 18, No. 3, April 2015
[2] E.  Aram,  M.  Ehsani,  and  H.A.  Khonakdar,  Improvement  of  ionic  conductivity  and performance of quasi-solid-state dye sensitized solar cell using PEO/PMMA gel electrolyte, Thermochimica Acta 615 (2015), 61-67.
[3] S.S. Alexander, M. Rebeca and M. David, Recent advances in innovative polymer electrolyte based on poly(ionic) liquid, Electrochimica Acta 175 (2015) 18-34.
[4] W.  S.  Arsyad,  Herman,  Fitrilawati,  and  R.  Hidayat,  Photovoltaic  and  impedance characteristics  of  quasi  solid-state  dye-sensitized  solar  cell  using  polymer  gel  electrolyte, Advanced Materials Research (AMR) Vol. 1112 (2015), pp. 256-261.
[5] H.  Nansra,  J.  Yongseok  and  P.  Hyeok,  Dye  molecule  in  electrolyte:  new  apporoach  for suppression of dye-desorption in dye-sensitized solar cells, Scientific Report, 3:1712 (2013).
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
[6] G. Anantharaj, J. Joseph, M. Selvaraj, and S. Jeyakumar, Fabrication of stable Sye sensitized Solar  Cell  with  Gel  Electrolytes  Using  Poly(etylene  oxide)-Poly(ethylene  glicol), Electrochimica Acta 175 (2015) 1403-1409.
[7] Fitrilawati, N. Syakir, A. P. Mastiti, U. Yuliani, dan A. Aprilia, Pemanfaatan polimer hibrid TMSPMA dan phosphor organik sebagai bahan luminesensi untuk solid state lighting planar, Jurnal Kimia dan Kemasan, Vol. 37 No. 1 April 2015, ISSN 2088-026X
[8] A.  Aprilia,  N.  Syakir,  Hendro,  dan  Fitrilawati,  Deposisi  lapisan  tipis  polimer  hibrid TMSPMA:DCM  dengan  teknik  spray-air  brush  sebagai  bahan  luminesensi  pada  LWC-SSL planar  beserta  karakteristik  optiknya,  Prosiding  Seminar  Nasional  Fisika  (2015),  SNF2015- VIII-9.
[9] J.  R.  Macdonald  and  W.  B.  Johnson, Impedance  Spectroscopy  Theory,  Experiment,  and Applications . 2nd ed. New Jersey (2005), pp. 20 – 26.