Karakteristik Pasta TiO 2 Suhu Rendah untuk Aplikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Characterization of Low Temperature TiO 2 Paste for

## Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Application
Mariya Al Qibtiya a, * ,  Lia Muliani b , dan  Jojo Hidayat b
a Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI) Bandung, Indonesia
b Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Komp LIPI Gd 20, Jl Sangkuriang 21/54D, Bandung 40135, Indonesia

## Abstrak
Pada  tulisan  ini,  diuraikan  karakteristik  pasta  TiO 2 suhu  rendah  untuk  aplikasi  sel  surya  berbasis dye-sensitized yang dipreparasi  dengan  penambahan  serbuk  TiO 2 reflektor.  Penambahan  TiO 2 reflektor  sebagai light  scattering  layer pada  pasta dilakukan  untuk  melihat  pengaruhnya  terhadap  karakteristik  listrik  sel  surya  yang  dihasilkan.  Preparasi  pasta  dilakukan menggunakan bahan komersial yaitu pasta T-Nanooxide D-L (Solaronix) dan serbuk pasta WER2-O (Dyesiol) sebagai bahan reflektor. Bahan tersebut dianalisis struktur kristalnya. Hasil karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) menunjukan bahwa bahan TiO 2 serbuk yang digunakan adalah kristal nanodengan struktur kristal anatase. Pasta ini dideposisi di atas permukaan plastik dan  kaca  konduktif (ITO-PET  dan  FTO) dengan metode doctor  blade printing . Proses sintering lapisan  TiO 2 dilakukan pada suhu  rendah  yaitu  120  C  selama  4  jam.  Morfologi  permukaan  lapisan  TiO 2 dianalisis  menggunakan Scanning  Electron Microscopy (SEM).  Lapisan  TiO 2 yang  terbentuk  diaplikasikan  pada  DSSC  sebagai  fotoelektroda.  Pewarnaan  dengan  larutan N-719 (Ruthenium Complex). Sel surya dye-sensitized dibentuk dengan menempelkan fotoelektroda dengan lapisan elektroda counter platina  menggunakan  lapisan  termoplastik  kemudian  diisi  dengan  larutan  elektrolit  iodine.  Karakteristik  kurva  I-V dengan ukuran sel daerah aktif 1 cm 2 diukur menggunakan I-V measurement system dan Sun Simulator AM1,5 dengan sumber cahaya  xenon  dan  intensitas  50  mW/cm 2 .  Hasil  pengukuran  menunjukkan  penambahan  serbuk  TiO 2 reflektor  dapat meningkatkan  unjuk  kerja  sel  surya  fleksibel  yang  dihasilkan.  Efisiensi  terbaik  DSSC  yang  dihasilkan  adalah  0,166%  untuk substrat plastik dan 0,167% untuk substrat kaca.
Kata kunci: dye sensitized solar cell , pasta TiO 2 temperatur rendah, light scattering layer , karakteristik I-V.

## Abstract
In  this  paper  will  be  described  characteristic  of  low  temperature  TiO 2 paste  for  dye-sensitized  solar  cell  (DSSC) application.  The  paste  was  prepared  using  addition  of  TiO 2 reflector  powder  as  light  scattering  layer.  The  influence  on electrical characteristic of DSSC was investigated. The preparation was done using the commercial material T-Nanooxide DL (Solaronix) and WER2-O powders (Dyesol) as the reflector material. The crystal structure of the material was analyzed. The characterization  of  X  -  Ray  Diffraction  (XRD)  showed  that  the  material  used  is  TiO 2 nanocrystal  with  anatase  crystalline structure. The mix of TiO 2 paste was deposited on the surface of a conductive plastic and glass (ITO-PET and FTO) by doctor blade  method.  TiO 2 layer  sintering  process  carried  out  at  a  low  temperature  of  120  C  for  4  h. Surface  morphology  of  TiO 2 layer was analyzed using Scanning Electron Microscopy (SEM). TiO 2 layer formed was applied for photoelektrode. DSSC was made by staining with a solution of N-719 (Ruthenium Complex). DSSC formed by assembling of photoelectrode with platinum counter  electrode  layer  through  thermoplastic  seal  and  filling  tri-iodine  electrolyte  solution  into  the  cell.  I-V  curve characteristic of the cells (active area of 1 cm 2 ) was measured using an I-V measurement system and a sun simulator AM1.5 with a xenon light source and intensity of 50 mW/cm 2 . The measurement results show the addition of TiO 2 reflector powder can improve the performance of solar cells produced. The best efficiencies of DSSC produced are 0.166% and 0.167% for plastic and glass substrate respectively.
Keywords: dye-sensitized solar cell, low temperature TiO 2 paste, light scattering layer, characteristic of I-V curve.

## I. P ENDAHULUAN
Dye  Sensitized  Solar  Cell (DSSC)  bekerja berdasarkan photo-electrochemical ,  di  mana  proses absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye dan proses
pemisahan muatan oleh bahan inorganik semikonduktor yaitu  TiO 2 .  DSSC  ini  pertama  kali  diperkenalkan  oleh Gratzel alternatif menjadi tahun  1991  yang pada karena perkembangan  fotovoltaik pada menarik
substrat berbagai  macam harga  produksi, rendahnya yang  bisa  digunakan,  dan  ramah  lingkungan  dalam pabrikasinya.  Meskipun  sel  surya  ini  masih  memiliki masalah besar dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang terlalu  singkat,  sel  surya  jenis  ini  akan  memberi pengaruh  besar  dalam  beberapa  tahun  ke  depan mengingat harga dan proses pembuatannya yang sangat
* Corresponding Author . Email: mariya.al@student.upi.edu Received: May 26, 2014; Revised: June 9, 2014 Accepted: June 23, 2014 Published: June 30, 2013  2014 PPET - LIPI doi : 10.14203/jet.v14.24-28
murah  [1].  Titanium  dioksida  (TiO 2 )  merupakan semikonduktor  yang  memiliki bandgap lebar  dan umumnya besifat inert , non toxic , murah, dan memiliki karakteristik  optik  yang  baik  [2].  TiO 2 banyak  dibuat dalam  variasi  bentuk  seperti  serbuk  nano,  koloid, lapisan  tipis  dan  untuk  aplikasi  lingkungan  dari  mulai deoderization hingga purifkasi udara  dan air. Selain  itu TiO 2 juga  dapat  diaplikasikan  sebagai  fotokatalis  dan fotovoltaik  seperti  DSSC.  Untuk  aplikasi  fotoelektroda pada  DSSC,  sifat  film  TiO 2 bergantung  dari  teknik preparasi pembuatan pasta karena pasta yang baik akan mempengaruhi  unjuk  kerja  dari  DSSC.  Sebagai fotoelektroda TiO 2 harus memiliki sifat optik yang baik dan  luas  permukaan  yang  baik  untuk  penyerapan  dye, tingkat  energi  material  TiO 2 harus  sesuai  dengan  dye yang  tereksitasi,  memiliki  mobilitas  pembawa  muatan yang  tinggi,  harus  mudah  disintesis,  stabil,  murah,  dan ramah  lingkungan  [3].  Karakteristik  material  TiO 2 seperti  struktur,  morfologi,  serta  sifat  optik  dan  listrik sebagai  material  semikonduktor  sangat  mempengaruhi karakteristik DSSC.
Umumnya TiO 2 sebagai elektroda kerja pada DSSC memiliki  morfologi  partikel  nano.  Akan  tetapi penggunaan  TiO 2 partikel  nano  sebagai  penghambur cahaya  tampak  yang  sangat  rendah,  sehingga  sebagian besar  cahaya  yang  terkena  DSSC  bertransmisi  melalui TiO 2 tanpa  berinteraksi  dengan dye  sensitizer .  Untuk meningkatkan light harvesting (mengumpulkan cahaya) maka diperlukan lapisan penghambur cahaya ( scattering layer ). Penggunaan TiO 2 yang memiliki ukuran partikel lebih  besar  diaplikasikan  sebagai  reflektor  yang diharapkan dapat mengurangi transmisi cahaya sehingga cahaya yang terkumpul lebih banyak yang secara efektif dapat  meningkatkan  efisiensi  sel  surya  [4].  Gambar  1 menunjukkan  struktur  DSSC  dengan  lapisan  TiO 2 partikel  nano  dan  TiO 2 reflektor  sebagai  lapisan fotoelektroda.
Gambar 1. Skema DSSC Dengan Lapisan Partikel TiO 2 dan Partikel Reflektor
Pasta TiO 2 sudah banyak diproduksi oleh beberapa pusat  penelitian  seperti  Solaronix  dan  Dyesol  yang khusus  meneliti  sel  surya.  Pasta  TiO 2 untuk  proses pabrikasi temperatur rendah harus dikarakterisasi untuk menghindari  retaknya  film  karena  gumpalan  partikel yang besar yang diakibatkan dari kehilangannya binder organik  [5].  Pada  tulisan  ini  akan  diuraikan  proses preparasi pasta TiO 2 untuk proses pabrikasi DSSC suhu rendah, dengan mencampurkan pasta TiO 2 partikel nano
dan  serbuk  TiO 2 reflektor.  Pasta  TiO 2 yang  digunakan adalah produk Dyesol dan Solaronix.

## II. M ETODOLOGI
Pada  penelitian  ini  substrat  yang  digunakan  adalah substrat  plastik  konduktif  ITO-PET  ( indium  tin  oxide coated poly[ethylene  terephthalate] )  produk  Aldrich dengan  ketebalan  0,1  mm  dan  resistivitas  bahan  60 ohm/sq  dan  kaca  konduktif  FTO  dengan  resistivitas bahan 15 ohm/sq.
Alur  proses  pembuatan  DSSC  ditunjukan  pada Gambar 2 dan penamaan sampel pasta TiO 2 ditunjukkan pada  Tabel  1.  Sampel  A  menggunakan  pasta  sudah tersedia  (produk  Solaronix),  sedangkan  sampel  B dipreparasi melalui pencampuran serbuk pasta  reflektor (produk Dyesol) ke dalam pasta solaronix menggunakan pelarut  ethanol  dan  larutan  HCl  tanpa binder. Pencampuran  TiO 2 solaronix  dan  TiO 2 reflektor dilakukan dengan perbandingan berat 10:1.
Gambar 2. Alur Tahap Pembuatan Dye Sensitized Solar Cell.
T ABEL I
P ENAMAAN P ASTA TiO 2
Sampel Pasta A TiO 2 Solaronix
B TiO 2 Solaronix + reflektor

## A. Larutan Dye
Jenis dye yang  dipakai  adalah  jenis  ruthenium complex  Ruthenizer  535-bis  TBA  atau  yang  biasa dikenal  N719  memiliki  lebar band-gap semikonduktor oksida  yang  kepekaannya  sangat  efisien,  seperti
Preparasi pasta TiO 2 Deposisi TiO 2 ke ITO Sintering TiO 2 pada pada suhu sinter 120˚C Absorbsi larutan dye ke lapisan TiO 2 Pembuatan struktur sandwich elektroda TiO 2 dan elektroda counter Pengisian elektrolit pada ruang antar 2 elektroda Preparasi larutan dye Sputtering elektroda counter platina Karaktrisasi Sel surya Preparasi Substrat Karakterisasi film TiO 2 berhasil tidak tidak DSSC ya
titanium  dioksida,  sampai  dengan  panjang  gelombang 750 nm.

## B. Preparasi Elektroda Counter Platina
Platina  yang  digunakan  sebagai  target  dimasukan ke  dalam chamber  sputtering ,  setelah  itu chamber divakum.  Gas    argon  dialirkan chamber dan  diberi tegangan  tinggi  sehingga  terbentuk  plasma.  Ion  argon dalam  plasma  menumbuk  platina  sehingga target mengeluarkan  atom-atom  platina  yang  akan  menuju  ke substrat  ITO-PET  konduktif. Chamber  sputtering disiapkan  dengan  sistem sputtering tekanan  dasar 4,4x10 -3 torr  dan  tekanan  gas  argon  4x10 -3 torr  dengan daya 50 watt, waktu sputtering 20 menit [6].

## C. Proses Assembly DSSC
Substrat  plastik  ITO-PET  dipotong  dengan  ukuran 2x2  cm 2 dicuci  menggunakan  akuades  dan  isopropanol (IPA).  Substrat  kemudian  dibentuk  tempat  untuk deposisi  TiO 2 dengan  bantuan Scotch  tape pada  bagian konduktifnya  sehingga  terbentuk  area  sebesar  1x1  cm 2 . Pasta  TiO 2 dideposisikan  di  atas  daerah  yang  telah dipola  pada  plastik  konduktif  dengan  metode doctor blade yang  kemudian  dipanaskan  dengan  suhu  sinter 120˚C selama 4 jam.
Pewarnaan  dilakukan  dengan  cara  perendaman lapisan  TiO 2 dalam  larutan dye selama  24  jam,  seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Proses Pewarnaan Dengan Larutan Dye.
Perakitan  DSSC  dilakukan  dengan  menyatukan lapisan TiO 2 yang terwarnai dye dengan lapisan platina menggunakan  lapisan  termoplastik  menjadi  struktur sandwich .  Larutan  elektrolit  kemudian  diteteskan  kira- kira  sebanyak  2  tetes  kepada  ruang  antara  kedua elektroda dan sel surya siap untuk dikarakterisasi.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Analisis Struktur Kristal TiO 2
Kurva karakteristik XRD ditunjukkan pada Gambar 4, yang menunjukkan bahwa TiO 2 memiliki fase kristal anatase  sesuai  dengan  Joint  Commitee  on  Powder Diffraction  Standards  (JCPDS)  no  21-1272.  Dari Gambar  4  dapat  diamati  terdapatnya  puncak-puncak yang bersesuaian untuk fase anatase pada ketiga sampel, yaitu  pada  sudut  2 θ di  sekitar  25˚,  37˚,  48˚,  54˚,  62˚. Puncak-puncak  tersebut  bersesuaian  dengan  orientasi kristal  pada  (101),  (104),  (200),  (105),  (204).  Puncak tertinggi dimiliki oleh bidang orientasi (101) yang akan diukur  besar  kristal  dari  hasil  XRD  masing-masing sampel.  Ukuran  kristal  ( D )  dapat  dihitung  secara kuantitatif  menggunakan  metode  Scheerer  melalui persamaan [7], [8].
(1)
dengan k adalah  konstanta  sebesar  0,89; λ adalah panjang gelombang sumber sinar-X; dan β adalah lebar penuh  setengah  tinggi  maksimum  puncak  difraksi (dalam  satuan  radian).  Nilai β yang  digunakan  adalah nilai  puncak  anatase  pada  orientasi  bidang  (101)  dan didapatkan hasil ukuran kristal yang diperlihatkan pada Tabel 2.
Gambar 4. Pola X-Ray Difraksi TiO 2 Solaronix dan TiO 2 Reflektor.
T ABEL II D ATA P ERHITUNGAN U KURAN K RLSTAL TiO 2
Sampel k λ (Ǻ) β (rad) 2 cos D (nm) A 0,89 1,5406 0,0133  25,930 0,974 10,92 B 0,89 1,5406 0,0028  25,295 0,976 53,14
Dari  Tabel  2  dapat  diketahui  bahwa  TiO 2 yang digunakan  adalah  kristal  nano. Dan  bila  diamati  bahwa ukuran  kristal  Solaronix  lebih  kecil  dibandingkan ukuran  kristal  TiO 2 reflektor.  Hal  ini  merupakan  hasil yang  positif  karena  diharapkan  dengan  ukuran  kristal yang  semakin  kecil  menghasilkan  ukuran  partikel  yang lebih  kecil  pula  yang  baik  untuk  diaplikasikan  sebagai material  DSSC  [8].  TiO 2 yang  digunakan  cocok  untuk diaplikasikan  pada  DSSC  karena  mempunyai  fase kristal  anatase  yang  mempunyai  kemampuan  fotoaktif yang tinggi.

## B. Karakteristik Morfologi Lapisan TiO 2
Hasil citra SEM dapat dilihat pada Gambar 5. yang merupakan  gambar  dari  morfologi  permukaan  lapisan TiO 2 .
Gambar 5. Foto SEM Hasil Deposisi TiO 2, (a) Sampel A (Pasta Solaronix), (b) Pasta reflektor [9], (c) Sampel B (Campuran pasta
Solaronic + reflektor).
(a) (b) (c)
Gambar  5  (a)  menunjukkan  sampel  A  jenis Solaronix  memiliki  ukuran  partikel  sangat  kecil mencapai  <100  nm.  Terlihat  pada  gambar  bahwa distribusi  ini  mengakibatkan  terjadinya  aglomerasi (gumpalan)  dan  dapat  teramati  adanya  bongkahan- bongkahan  besar  yang  merupakan  hasil  penggumpalan. Ukuran  partikel  yang  kecil  umumnya  lebih  tidak  stabil dibanding  partikel  yang  lebih  besar  oleh  karenanya kemungkinan  terjadinya  gumpalan  satu  sama  lain  juga tinggi sehingga menyebabkan  distribusi ukuran partikel tampak tidak seragam. Gambar 5 (b) merupakan partikel TiO 2 reflektor yang memiliki ukuran partikel > 150 nm. Ukuran  partikel  yang  lebih  besar  ini  yang  digunakan sebagai penghambur cahaya pada lapisan TiO 2 . Gambar 5  (c)  menunjukkan  lapisan  TiO 2 hasil  campuran  pasta Solaronic  +  reflektor.  Terlihat  bahwa  lapisan  tidak  rata dan  TiO 2 reflektor  yang  memiliki  ukuran  partikel  lebih besar  (150-250  nm)  terlihat.  Dengan  penambahan  TiO 2 reflektor  dapat  mengakibatkan  cahaya  mengenai menjadi  terhambur  sehingga  daya  serap dye semakin besar.

## C. Karakterisasi I-V
Hasil karakterisasi I-V dilakukan untuk mengetahui sifat  listrik  dari  DSSC  yang  dihasilkan.  Saat  cahaya yang membawa energi foton mengenai DSSC, akan ada elektron  dari dye yang  tereksitasi  dari  pita  valensi (HOMO) ke pita konduksi (LUMO) mendesak elektron ke  TiO 2 dan  menuju  elektroda  kerja  sehingga  tercipta arus  dalam  DSSC.  Arus  dan  tegangan  yang  dihasilkan diukur I-V measurement system dan sun simulator.
Gambar 6. Kurva I-V DSSC yang Dibuat, (a) Dengan Substrat Plastik, dan (b) Substrat Kaca.
Gambar  6  (a)  menunjukkan  kurva  I-V  DSSC menggunakan  substrat  plastik  konduktif  sedangkan Gambar  6  (b)  menunjukkan  kurva  I-V  DSSC menggunakan  substrat  kaca  konduktif.  Karakteristik listrik  secara  lengkap  ditampilkan  pada  Tabel  3.  Dari hasil pengukuran untuk substrat yang berbeda diketahui bahwa  penambahan  TiO 2 reflektor  sebagai  lapisan penghambur ternyata menaikan arus dan tegangan yang lebih  baik,  dan  otomatis  menaikan  efisiensi.  Dengan menggunakan  pasta  Solaronix  (sampel  A)  didapatkan efisiensi sebesar 0,037% dan dengan penambahan TiO 2 reflektor  (sampel  B)  efisiensi  naik  menjadi  0,166%. Kenaikan  karakteristik  juga  terjadi  pada  DSSC  yang menggunakan  substrat  kaca,  efisiensi  yang  dihasilkan pasta A 0,074% dan setelah penambahan TiO 2 reflektor naik  mencapai  0,167%.  Dengan  menggunakan  TiO 2 Reflektor sebagai scattering layer yang menghamburkan cahaya yang datang ke permukaan dye , akan  mempengaruhi  daya  serap  dari dy e.  Foton  yang terserap dye akan lebih banyak sehingga mengakibatkan elektron  yang  akan  berdifusi  pada  TiO 2 menjadi  lebih banyak.  Hal  ini  akan  meningkatkan  karakteristik  listrik DSSC.
T ABEL III
H ASIL P ENGUKURAN I-V
Sampel Voc (V) Isc (mA) Pm (W) Fill Factor Efisiensi (%) Plastik  A 0,326 0,17 1,98 x 10 -5 0,349 0,037 B 0,570 0,3 8,18 x 10 - 5 0,475 0,166 Kaca  A 0,489 0,13 3,64 x 10 – 5 0,56 0,074 B 0,509 0,3 8,23 x 10 – 5 0,564 0,167

## K ESIMPULAN
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  dapat disimpulkan  bahwa  hasil  karakterisasi  XRD  terhadap bahan  TiO 2 membuktikan  bahwa  pasta  yang digunakan mempunyai fase anatase nano kristal yang cocok untuk diaplikasikan pada DSSC. Karakterisasi morfologi SEM lapisan  TiO 2 menunjukkan  partikel  TiO 2 Solaronix secara  umum  adalah  mesoporos  dan  TiO 2 reflektor memiliki  ukuran  partikel  yang  besar  (>150  nm)  dan dapat  digunakan  sebagai  lapisan  penghambur  cahaya.
Hasil karakterisasi I-V menunjukkan bahwa penambahan  TiO 2 reflektor  dapat  meningkatkan efisiensi  sel  DSSC.  DSSC  yang  menggunakan  sample Solaronix menghasilkan efisiensi 0,037% untuk substrat plastik  dan  0,074%  untuk  substrat  kaca.  Sedangkan DSSC  yang  menggunakan  sample  Solaronix  dan reflektor  menghasilkan  efisiensi  0,166%  untuk  substrat plastik dan 0,167% untuk substrat kaca.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Ucapan  terima  kasih  ditujukan  kepada  Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) LIPI Bandung dan Institut Teknologi (ITB) Bandung.
D AFTAR R EFERENSI
[1] B. Yuliarto. (2014) Solar Cell, Sumber Energi Terbarukan Masa Depan. [Online]. Available:
http/www.esdm.go.id/berita/artikel/56-artikel/4034-solar-cell- sumber-energiterbarukan-masa-depan-.html
[2] M.   ratzel.  “Dye-sensitized  solar  cell”, Journal of Photochemistry and Photobiology C , vol. 4, p. 145, 2003.
(a) (b)
[3] W.  Zhang,  “Fabrication  of  dye  sensitized  solar  cells  with enhanced  energy  conversion  efficiency”,  Thesis  of  Master Science, National University of Singapore, 2011.
[4] S.  Hore,  C.  Vetter,  R.  Kern,  H.  Smit,  A.  Hinsch,  “Influence  of scattering layers on efficiency of dye-sensitized solar cells. Solar Energy Material and Solar Cells , vol. 90, pp. 1176-1188, 2006.
[5] C. W. Hashita, F. Huang, Y. B. Cheng, “Fabrication of flexible dye  sensitized  solar  cells  on  plastic  substrates”, Journal  Nano Energy, vol 2, pp. 174-189, 2012.
[6] L.  Muliani,  Y.  Taryana,  J.  Hidayat,  “Karakterisasi  lapisan platina  sputtering  untuk  aplikasi    elektroda  pembanding  pada dye-sensitized solar cell”, Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi , vol. 10, hal. 126-130, 2010.
[7] H. Han, L. Zan, J. Zhong, L. Zhang, X. Zhao, “The preparation of  high-surface-area  nanocrystalline  TiO 2 films  using  easy- segregation  particles  in  solution”, Material  Science  and Engineering B , vol. 110, pp. 227-232, 2004.
[8] M.  Abdullah, Pengantar  Nanosains, Bandung,  Penerbit  ITB, 2009.
[9] L.  Retnaningsih,  L.  Muliani,   .  Wiranto,  “Characterization  of dye  sensitized  solar  cell  (DSSC)  which  used  TiO 2 scattering layer”, Proceedings of The 7th National Radar Seminar and The 2ndInternational  Conference  on  Radar,  Antenna,  Microwave, Electronics and Telecommunications (ICRAMET), 2013, pp. 80- 83.