J URNAL F ISIKA DAN A PLIKASINYA V OLUME 15, N OMOR 1, 2019
Penggunaan Lapisan Komposit TiO 2 /SnO 2 sebagai Fotoanoda pada Dye Sensitized Solar Cell
M.N. Fajar, 1 R Hidayat, 2 Triwikantoro, 3 dan Endarko 3, ∗
1 Departemen Fisika-FSains, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111
2 Divisi Penelitian Bidang Fisika Magnet dan Photonik, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10, Bandung 40132
3 Departemen Fisika-FIA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111

## Intisari
Fotoanoda adalah salah satu komponen dye-sensitized solar cell (DSSC) yang disintesis dari bahan semikonduk- tor oksida logam dengan ukuran nanopartikel yang didepositkan kekaca konduktif transparan. Bahan semikon- duktor yang digunakan harus memenuhi beberapa kriteria seperti permukaan yang luas dan tingkat porositas yang tinggi sehingga dapat menyerap dye dengan baik. Salah satu modifikasi yang sering dilakukan pada DSSCs untuk meningkatkan kinerjanya adalah dengan mengaplikasikan TiO 2 / SnO 2 pada fotoanoda DSSC. Dalam penelitian ini, kinerja DSSC yang disintesis dengan komposit TiO 2 / SnO 2 dengan struktur lapisan tung- gal dan ganda akan dibandingkan dengan kinerja DSSC yang disintesis dari fotoanoda dengan struktur lapisan tunggal TiO 2 atau SnO 2 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi DSSC dapat dicapai untuk kedua lapisan tunggal TiO 2 dan SnO 2 adalah pada 2,12 dan 2,06%.

## Abstract
Photoanode is one component of dye-sensitive cell solar (DSSC) which synthesized from metal oxide semicon- ductor materials with nanoparticle size that deposited onto the transparent conductive glass. The semiconductor material used must meet several criteria such as a wide surface and a high level of porosity so that it can ab- sorb dye properly. One modification that is often done on DSSCs was to improve its performance by applying TiO 2 / SnO 2 to DSSC photoanodes. In this study, the performance of the synthesized DSSC with TiO 2 /SnO 2 composites with both single and double layers structure will be compared to the performance of the synthesized DSSC from either photoanodes with a single layer structure of TiO 2 or SnO 2 . The results showed that the high- efficiency of the DSSC could be achieved for both TiO 2 and SnO 2 single layer with value at 2.12 and 2.06%, respectively.
Keywords: Double layer; single layer; komposit TiO 2 /SnO 2 http://dx.doi.org/10.12962/j24604682.v15i1.4487 2460-4682 c Departemen Fisika, Fakultas Sains-ITS

## I. PENDAHULUAN
Saat ini Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) menjadi perha- tian utama sebagai pengganti selsurya konvensional dikare- nakan sifatnya yang ramah lingkungan, fabrikasi yang mudah dan murah [1, 2]. Umumnya DSSC tersusun atas fotoanoda berbahan semikonduktor berpori, elektrolit, dam counter elek- troda berbahan metal konduktif atau karbon [3]. Fotoanoda biasanya dibuat dengan mendeposisikan material semikon- duktor pada permukaan transparent conducting oxide (TCO), sedangkan counter elektroda merupakan lapisan tipis konduk- tif berbahan metal atau karbon yang dideposisikan pada TCO
∗ Electronic address: endarko@physics.its.ac.id
yang lain [2].
Untuk mengembangkan potensi dari DSSC, telah banyak dilakukan penelitian pada komponennya dengan tujuan men- dapatkan performa maksimal dari DSSC. Dari tahun 1997 sampai dengan 2015 penelitian terbanyak untuk komponen DSSC adalah fotoanoda [4] dan masih terus diteliti hingga sekarang. Titanium dioxide (TiO 2 ) merupakan material yang paling sering digunakan sebagai fotoanoda pada DSSC teru- tama fasa anatase dikarenakan sifatnya yang stabil dan fotoak- tifitas yang tinggi. Sebagai material penyusun utama foto- anoda, karakteristik dari TiO 2 meliputi struktur dan morfologi akan sangat berpengaruh pada performa DSSC [5]. Beber- apa kriteria harus dipenuhi seperti mempunyai struktur pori, permukaan yang luas sehingga kapasitas penyerapan dye da- pat meningkat. Beberapa strategi untuk memenuhi kriteria ini adalah dengan membuat komposit TiO 2 /SnO 2 pada lapisan
(a) Double layer komposit TiO 2 /SnO 2 (b) Single layer komposit TiO 2 /SnO 2 (c) Single layer TiO 2
(d) Single layer SnO 2
Gambar 1: Struktur DSSCs.
fotoanoda.
Tin Oxide (SnO 2 ) cocok ketika dikompositkan dengan TiO 2 pada aplikasi fotokatalis dan baterai. SnO 2 mempu- nyai beberapa kelebihan dibanding TiO 2 diantaranya memi- liki tingkat difusi elektron yang tinggi [6].

## II. METODOLOGI
Pembuatan komposit single dan double layer TiO 2 / SnO 2 telah selesai pada penelitian sebelumnya [7] dengan struktur terdiri dari blocking layer TiO 2 , lapisan TiO 2 , lapisan SnO 2 , komposit single layer (SL) dan double layer TiO 2 / SnO 2 (DL) seperti terlihat pada Gambar 1. Pada penelitian ini, ana- lisis dan karakteristik film secara struktur, sifat optik dan mor- pologinya berturut-turut digunakan XRD, UVVis dan SEM.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis fasa material
Bahan semikonduktor untuk fotoanoda pada penelitian ini menggunakan pasta TiO 2 (titanium dioksida), dan pasta SnO 2 (tin dioksida). Dengan analisis kualitatif menggu- nakan perangkat lunak Match! , pada Gambar 2, didapatkan bahwa fasa pasta TiO 2 adalah anatase. Bidang kristal (101) yang terletak pada sudut 2 θ sekitar 25,3 ◦ merupakan bidang kristal yang dominan dengan intensitas yang paling tinggi pada lapisan tipis TiO 2 [8]. Sedangkan pada bahan semikon- duktor lainnya, didapatkan bahwa fasa SnO 2 adalah casse- terite dengan intensitas paling tinggi pada bidang (110), (101) dan (211). Pola difraksi berbentuk padatan amorf didapatkan dari pola difraksi substrat kaca. Pola difraksi yang terbentuk dari fotoanoda DL dan SL merupakan gabungan dari puncak
Gambar 2: Hasil pola X-Ray Diffraction (XRD).
TiO 2 dan SnO 2 pada bidang kristal tertentu. Pola difraksi DL didominasi oleh bidang-bidang kristal dari fasa casse- terite SnO 2 sedangkan pola difraksi SL menunjukkan bidang kristal (101) yang berasal dari fasa anatase TiO 2 dan bidang kristal (110) dari fasa casserterite SnO 2 . Li et al. [9] juga mendapatkan pola difraksi yang sama pada lapisan komposit TiO 2 /SnO 2 . Selain itu penambahan SnO 2 pada komposit juga mampu mereduksi puncak (101) pada TiO 2 , hasil serupa juga didapatkan oleh Arunachalam et al. [10] pada penelitiannya terkait efek penambahan Sn untuk pembuatan lapisan tipis TiO 2 .
Hasil analisis karakteristik optik dan band gap fotoanoda
Setelah dilakukan pengujian UV-Vis pada fotoanoda yang telah dibuat, didapatkan hasil berupa grafik absorbansi dan transmitansi yang yang menggambarkan bagaimana karak- teristik optik dari fotoanoda. Terlihat bahwa absorbansi
(a) (b)
Gambar 3: Nilai absorbansi (a) fotoanoda sebelum direndam pada dye N-719, (b) fotoanoda setelah direndam pada dye N-719.
dari fotoanoda TiO 2 berada pada rentang panjanggelombang 300-600 nm sedangkan SnO 2 pada rentang panjanggelom- bang 300-870 nm (Gambar 3(a)). Fotoanoda DL mempu- nyai rentang panjanggelombang 300-870 nm dan nilai ab- sorbansi tertinggi jika dibandingkan dengan fotoanoda TiO 2 dan SnO 2 . Hal ini dikarenakan pada fotoanoda DL tersusun atas dua lapisan penyusun yaitu lapisan TiO 2 yang mempu- nyai nilai absorbansi tinggi dan lapisan SnO 2 yang mempu- nyai rentang panjanggelombang 300-870 nm. Gambar 3(a) menunjukkan nilai absorbansi pada rentang panjanggelom- bang tertentu dari fotoanoda TiO 2 , SnO 2 , dan SL dimana ni- lai absorbansi fotoanoda SL lebih rendah dibandingkan de- ngan fotoanoda TiO 2 pada rentang panjanggelombang 300- 600 nm namun lebih tinggi jika dibandingkan dengan foto- anoda SnO 2 pada rentang panjanggelombang 300-870 nm. Hal ini dikarenakan pada fotoanoda SL tersusun atas satu lapisan penyusun yaitu lapisan komposit TiO 2 /SnO 2 sehingga absorbansinya lebih rendah dibanding fotoanoda TiO 2 namun mempunyai rentang panjanggelombang yang sama dengan fotoanoda SnO 2 [11]. Hasil analisis absorbansi menggunakan pengujian UV-Vis bertujuan untuk menentukan energi gap dan posisi pita energi dari lapisan fotoanoda. Menurut Morrison [12], untuk menentukan posisi pita energi dari lapisan foto- anoda dapat digunakan formula
E c = − χ + 0 , 5 E g (1) E v = E c − E g (2)
dengan E c adalah pita konduksi, χ adalah nilai elektronegati- fitas, E g adalah eneri gap, dan E v adalah pita valensi. Karena pada sampel digunakan komposit double dan single layer TiO 2 /SnO 2 maka E g TiO 2 dan SnO 2 terlebih nilai energi gap dan posisi pita valensi diperlihatkan pada Tabel I.
Terlihat dari Gambar 4, terjadi 1 kali rekombinasi dari fotoanoda DL dan 2 kali rekombinasi pada fotoanoda SL.
TABEL I: Nilai Energi gap dan posisi pita energi lapisan tipis fotoanoda.
Sampel E v (eV) E c (eV) E g (eV) TiO 2 -7.435 -4.185 3.25 SnO 2 -7.55 -4.95 2.6
Rekombinasi ini terjadi dari pita konduksi metal oxide menuju level HUMO pada dye N179. Perbedaan proses rekombinasi ini disebabkan oleh struktur komposit yang berbeda (Gam- bar 4(b) dan (d)). Pada fotoanoda DL struktur komposit- nya adalah layer by layer dimana terdapat 2 lapisan yaitu lapisan SnO 2 dan TiO 2 . SnO 2 memiliki densitas yang lebih besar dibandingkan dengan TiO 2 sehingga dye hanya me- nempel pada TiO 2 . Karena dye hanya menempel pada TiO 2 , maka SnO 2 hanya menerima injeksi elektron yang berasal dari TiO 2 . Sedangkan, pada fotoanoda SL struktur kompositnya adalah campuran antara TiO 2 dan SnO 2 . Sehingga dye da- pat menempel pada permukaan TiO 2 maupun SnO 2 . Hal ini mengakibatkan terjadi 2 proses rekombinasi yaitu dari pita konduksi TiO 2 dan SnO 2 menuju level HOMO dye. Green et al. [13], Hung et al. [14], dan Vinayak et al. [15] men- jelaskan bahwa proses rekombinasi ini berpengaruh terhadap kinerja DSSC dimana semakin banyak rekombinasi yang ter- jadi maka semakin rendah kinerja DSSC.
Setelah proses perendaman dye pada fotoanoda, dilakukan pengukuran UV-Vis lagi. Hal ini bertujuan untuk menganali- sis penyerapan dye pada fotoanoda yang akan digunakan pada dye sensitized solar cell.
Gambar 3(b) memperlihatkan peningkatan nilai absorbansi pada fotoanoda setelah direndam dengan dye N719. Hal ini dikarenakan adanya proses penyerapan dye N719 oleh foto- anoda saat direndam. Nilai absorbansi ini terbentuk dari
(a) Skema transfer elektron pada fotoanoda DL
(b) Struktur lapisan fotoanoda DL
(c) Skema transfer elektron pada fotoanoda SL
(d) Struktur lapisan fotoanoda
SL
Gambar 4: Skema transfer elektron dan struktur lapisan fotoanoda DL dan SL. Keterangan gambar: SnO 2 → bulatan biru, TiO 2 → bulatan kuning, Dye N719 → bulatan merah.
gabungan absorbansi fotoanoda dan dye N719. Dye N719 me- nyerap cahaya secara maksimal pada rentang panjanggelom- bang 200-500 nm dan 500-700 nm (Gambar 3) hal ini menye- babkan terjadinya peningkatan nilai absorbansi fotoanoda pada rentang panjanggelombang 300-650 nm. Menurut Pa- zoki et al. [16], mol atau jumlah zat dye N719 yang menempel pada fotoanoda dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
Γ = A f otoanoda + dye 1000 . (3) = A dye .M r dye 100 . konsentrasi larutan dalam mg/ml (4)
Γ adalah jumlah dye yang diserap oleh fotoanoda (mol/cm 2 ), A adalah absorbansi, Mr adalah massa relatif dan adalah
TABEL II: Dye yang terserap pada fotoanoda.
Sampel (mol/cm 2 )
TiO 2 4.25 10-3 SnO 2 3.82 10-3
DL 2.17 10-3
SL 2.99 10-3
koefisien ekstinsi molar atau kekuatan suatu bahan untuk me- nyerap cahaya pada panjanggelombang tertentu (M − 1 cm − 1 ).
Setelah dilakukan perhitungan, hasil dirangkum pada Tabel II dimana nilai penyerapan dye paling besar adalah pada foto- anoda TiO 2 dan SnO 2 .
Hasil analisis arus dan tegangan DSSC
Gambar 5: Kurva karakteristik I-V DSSC.
TABEL III: Parameter I-V DSSC.
Sampel V oc J sc Fill Efisiensi (V) (mA/cm 2 ) Factor (%) TiO 2 1.12 3.40 0.55 2.12 SnO 2 0.78 4.86 0.54 2.06 DL 0.60 2.27 0.54 0.74 SL 0.74 0.13 0.41 0.04
Arus dan tegangan DSSC diukur dengan alat I-V Keithley meter menggunakan lampu halogen pada luas area fotoanoda sebesar 0,25 cm 2 . Gambar 5 memperlihatkan kurva karakter- istik I-V dari DSSC dengan simulasi cahaya yang memiliki intensitas sebesar 100 mW cm − 2 .
Dari Tabel III terlihat nilai V oc pada sampel TiO 2 lebih tinggi jika dibandingkan dengan sampel SnO 2 , DL, dan SL namun memiliki nilai J sc yang lebih rendah jika dibandingkan dengan sampel SnO 2 . Nilai Voc dan Jsc yang didapatkan mempengaruhi nilai effisiensi dari DSSC, sehingga dapat ter-
lihat nilai effisiensi dari TiO 2 dan SnO 2 berada pada kisaran 2%.
Struktur lapisan tipis komposit TiO 2 /SnO 2 sangat mempen- garuhi performa dari DSSC. Terlihat pada lapisan tipis foto- anoda DL dan SL terjadi penurunan nilai V oc dan J sc sehingga menghasilkan effisiensi sebesar 0,74% dan 0,04%. Nilai V oc dan J sc dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu fasa bahan, morfologi permukaan, karakteristik optik, dan daya serap dye pada fotoanoda.
Pada fotoanoda DL dan SL, penggabungan 2 fasa anatase dan casseritte menyebabkan penurunan kristalinitas fasa anatase yang ditandai dengan menurunnya intensitas puncak difraksi. Penurunan kristalinitas pada fase anatase ini menye- babkan penurunan performa dari fotoanoda dalam menyerap cahaya [15]. Banyaknya dye yang terserap pada fotoanoda juga menjadi faktor penting dalam performa DSSC. Dari hasil perhitungan penyerapan dye pada fotoanoda, dye yang me- nempel pada fotoanoda DL dan SL lebih sedikit jika diban- dingkan dengan fotoanoda TiO 2 dan SnO 2 . Oleh sebab itu terjadi penurunan nilai effisiensi pada fotoanoda DL dan SL [16].

## IV. SIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis sintesis dan karakterisasi foto- anoda komposit TiO 2 /SnO 2 diperoleh bahwa terjadi penu- runan effisiensi DSSC setelah TiO 2 dikompositkan dengan SnO 2 baik pada struktur double-layer dan single layer . Penu- runan performa ini diakibatkan oleh turunnya nilai intensitas fasa anatase pada komposit TiO 2 /SnO 2 yang dipengaruhi oleh penambahan fasa casseritte dari SnO 2 . Effisiensi pada DSSC yang menggunakan struktur fotoanoda single layer TiO 2 maupun SnO 2 lebih tinggi dibandingkan komposit double- layer (DL) dan single layer (SL). Hal ini dikarenakan dye yang menempel pada metal oksida lebih banyak, dan pelu- ang terjadinya rekombinasi yang sedikit. Didapatkan nilai efisiensi terbesar yaitu 2,12% pada DSSC dengan single layer TiO 2 .
[1] M. Wu, X. Lin, T. Wang, J. Qiu, and T. Ma, ”Low-cost dye- sensitized solar cell based on nine kinds of carbon counter elec- trodes”, Energy Environ. Sci., vol. 4, no. 6, pp. 2308-2315, 2011.
[2] S. Suhaimi, M.M. Shahimin, Z.A. Alahmed, J. Chysk, and A.H. Reshak, ”Materials for enhanced dye-sensitized solar cell per- formance: Electrochemical application”, nt J Electrochem Sci, vol. 10, no. 4, pp. 2859-2871, 2015.
[3] M. Ye et al. , Recent advances in dye-sensitized solar cells: from photoanodes, sensitizers and electrolytes to counter electrodes, Mater. Today, vol. 18, no. 3, pp. 155-162, 2015.
[4] J. Gong, K. Sumathy, Q. Qiao, and Z. Zhou, Review on dye- sensitized solar cells (DSSCs): advanced techniques and re- search trends, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 68, pp. 234- 246, 2017.
[5] S.R. Adawiyah and Endarko, Structural and morphological characterization of TiO 2 -SnO 2 thin film prepared by combining doctor-blade and sol-gel techniques, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 188, p. 012062.
[6] C. S. K. Ranasinghe, et al. , Tin oxide based dye-sensitized solid-state solar cells: surface passivation for suppression of re- combination, Mater. Sci. Semicond. Process., vol. 40, pp. 890- 895, 2015.
[7] M. N. Fajar, et al. , Experimental Study of Acid Treatment To- ward Characterization of Structural, Optical, and Morphologi- cal Properties of TiO 2 -SnO 2 Composite Thin Film, in Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 1011, p. 012006.
[8] S. Mahshid, M. Askari, M. S. Ghamsari, N. Afshar, and S. Lahuti, ”Mixed-phase TiO 2 nanoparticles preparation using solgel method”, J. Alloys Compd., vol. 478, no. 1, pp. 586-589,
2009.
[9] H. Li, C. Xie, Y. Liao, Y. Liu, Z. Zou, and J. Wu, ”Char- acterization of Incidental Photon-to-electron Conversion Effi- ciency (IPCE) of porous TiO 2 /SnO 2 composite film”, J. Alloys Compd., vol. 569, pp. 88-94, 2013.
[10] A. Arunachalam, S. Dhanapandian, and C. Manoharan, ”Effect of Sn doping on the structural, optical and electrical properties of TiO 2 films prepared by spray pyrolysis”, J. Mater. Sci. Mater. Electron., vol. 27, no. 1, pp. 659-676, 2016.
[11] M. Batmunkh, M. Dadkhah, C. J. Shearer, M. J. Biggs, and J. G. Shapter, ”Tin Oxide Light-Scattering Layer for Titania Pho- toanodes in Dye-Sensitized Solar Cells”, Energy Technol., vol. 4, no. 8, pp. 959-966, 2016.
[12] S.R. Morrison, ”The chemical physics of surfaces”, Springer Science & Business Media, 2013.
[13] A. N. Green, E. Palomares, S. A. Haque, J. M. Kroon, and J. R. Durrant, ”Charge transport versus recombination in dye-
sensitized solar cells employing nanocrystalline TiO 2 and SnO 2 films”, J. Phys. Chem. B, vol. 109, no. 25, pp. 12525-12533, 2005.
[14] I. Hung, et al. , ”Effect of Photoanode Design on the Photoelec- trochemical Performance of Dye-Sensitized Solar Cells Based on SnO 2 Nanocomposite”, Energies, vol. 9, no. 8, p. 641, 2016.
[15] M. V. Vinayak, T. M. Lakshmykanth, M. Yoosuf, S. Soman, and K. R. Gopidas, ”Effect of recombination and binding prop- erties on the performance of dye sensitized solar cells based on propeller shaped triphenylamine dyes with multiple binding groups”, Sol. Energy, vol. 124, pp. 227-241, 2016.
[16] M. Pazoki, P. W. Lohse, N. Taghavinia, A. Hagfeldt, and G. Boschloo, ”The effect of dye coverage on the performance of dye-sensitized solar cells with a cobalt-based electrolyte”, Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 16, no. 18, pp. 8503-8508, 2014.