SINTESIS TITANIUM DIOXIDE (TiO2 ANATASE DAN … · menggunakan antosianin dari ekstraksi ketela ungu (ipomoea batatas l.) disusunoleh : ajeng ridho khoirunisa m0210007 skripsi jurusan

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

i

SINTESIS TITANIUM DIOXIDE (TiO2) ANATASE DAN

FABRIKASI DYE SENSITIZED SOLAR CELL (DSSC)

MENGGUNAKAN ANTOSIANIN DARI EKSTRAKSI KETELA

UNGU (Ipomoea batatas L.)

Disusunoleh :

AJENG RIDHO KHOIRUNISA

M0210007

SKRIPSI

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

April, 2014

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.idii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi dengan judul :

Sintesis Titanium Dioxide (TiO2) Anatase dan Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Antosianin dari Ekstraksi Ketela Ungu (Ipomoea batatas L.)

Yang ditulis oleh:

Nama : Ajeng Ridho Khoirunisa

NIM : M0210007

Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh penguji pada

Hari :

Tanggal :

Anggota Tim Penguji :

1. Dr. Agus Supriyanto, S.Si, M.Si.

NIP. 19690826 199901 1 0012. Drs. Usman Santoso, M.Si

NIP. 19510407 197503 1 0033. Prof. Ir. Ari Handono Ramlan, MSc.(Hons), PhD

NIP. 19610223 198601 1 0014. Dr.Eng. Kusumandari, S.Si, M.Si.

NIP. 19819518 200501 2 002

Disahkan oleh :Ketua Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Sebelas Maret

Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.DNIP. 19680508 199702 1 001


iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang

Sintesis Titanium Dioxide (TiO2) Anatase dan Fabrikasi Dye Sensitized

Solar Cell (DSSC) Menggunakan Antosianin dari Ekstraksi Ketela Ungu

(Ipomoea batatas L.)

ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang

lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesrjanaan di

Universitas Sebelas maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah

dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua

pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau

diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, 6 Maret 2014



iv

MOTTO

Katakanlah,semua urusan. Dia tidak melahirkan dan tidak dilahirkan. Dan tidak ada satupun

yang setara dengan-Nya

(QS.Al-Iklhas :1-4)

ang Engkau jadikan mudah. Sedangkan yang sulit bisa Engkau jadikan mudah, apabila Engkau

(HR. Ibnu Hibban)

Lebih baik menutup mulut dan disangka seorang yang bodoh daripada membuka mulut dan membuktikan itu benar

(Abraham Lincoln)

Apakah Anda mencintai kehidupan? Janganlah menyia-nyiakan waktu, sebab itulah bahan pembentuk kehidupan

(Benjamin Franklin)


v

PERSEMBAHAN


vi

Sintesis Titanium Dioxide (TiO2) Anatase dan Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Menggunakan Antosianin dari Ekstraksi

Ketela Ungu (Ipomoea batatas L.)

AJENG RIDHO KHOIRUNISAJurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Sintesis Titanium Dioxide (TiO2) anatase dan fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell(DSSC) menggunakan pewarna alami berbasis antosianin dari ketela ungu (Ipomoea batatas L.) sebagai fotosensitizer telah dilakukan. Sintesa larutan TiO2 dikontrol pada pH 3 dan divariasi suhu kalsinasi sebesar 500oC, 550oC dan 600oC. Dari ketiga variasi diperoleh fase TiO2anatase dengan kualitas dan kuantitas berbeda. Berdasarkan analisa pola difraksi dan luasan permukaan, semakin tinggi suhu kalsinasi maka intensitas dan ukuran butir kristal semakin besarsedangkan luasan permukaan dan pori-pori semakin kecil. Sel surya dibentuk dengan struktur sandwich dan mengapitelektrolit polimer yang mengandung kopel redoks I-/I3-. Lapisan pertama berupa lapisan TiO2anatase sebagai elektroda kerja pada substrat kaca TCO (Transparant Conducting Oxide) disensitasi dengan dyeantosianin ketela ungu dan elektroda lawan berupa lapisan karbon. Seldirendam pada dye yang memiliki sifat optik dan kelistrikan terbaik pada pH 1 selama 24 jam. Sel-sel ini diuji menggunakan I-V Keithley dengan intensitas 1009W/m2,efisiensi masing-masing sel dengan variasi suhu kalsinasi sebesar 0,0095%, 0,016%, 0,014% . Sedangkan dengan intensitas spenyinaran 2006W/m2

menghasilkan efisiensi sebesar 0,013% 0,023% 0,018%. Sehingga diperoleh suhu kalsinasi optimal untuk sintesis TiO2anatase sebagai semikonduktor DSSC sebesar 550oC dengan dye ekstraksi ketela ungu.

Kata Kunci :Titanium Dioxide (TiO2) anatase, pH, dyes Ketela Ungu (Ipomoea

batatas L.)


vii

Synthesis of Titanium Dioxide (TiO2) Anatase and Fabrication Dye Sensitized

Solar Cell (DSSC) UsingAnthocyanin from Extraction of

Purple Sweet Potato (Ipomoea batatas L.)


Physic Departement, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,Sebelas Maret University

ABSTRACT

Synthesis of Titanium Dioxide (TiO2) anatase and fabrication Dye sensitized Solar Cell (DSSC) using anthocyanin based natural dye from purple sweet potato (Ipomoea batatas L.) as a photosensitizer has been done. Synthesis of TiO2 solution was conducted at pH 3 and the calcination temperature was varied of 500oC , 550oC and 600oC . All the TiO2 powders have an anatasephase. Based on the analysis of the X-ray Diffraction patterns and surface area , if the higher of calcination temperature has larger the intensity of the crystal but smaller surface area and pore size. Solar cells were fabricated by sandwich which a polymer electrolyte containing a redox couple I-/I3- . The first layer was coated of anatase TiO2 layer as the working electrode on a glass substrate TCO (Transparent Conducting Oxide) sensitization with anthocyanin dye purple sweet potato and the counter electrode in the form of a layer of carbon . The DSSC was fabricated by soaking in the dye with pH 1 for 24 hours has the best electrical and optical properties. These cells were tested using a Keithley IV 1009 W/m2

intensity, the efficiency of each cell at a calcination temperature of 500oC, 550oCand 600oC was 0.0095 % , 0.016 % , and 0.014 % respectively. While the intensity of irradiation 2006 W/m2 produced an efficiency of 0.013 % , 0.023 % , 0.018 % respectively. The results show that the DSSC was fabricated using a TiO2 powder calcinated at a temperature of 550oC has the highest efficiency.

Key Words :Titanium Dioxide (TiO2) anatase, pH, dyes Purple Sweet Potato

(Ipomoea batatas L.)


viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dansegala

karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Tulisan ini

sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains yang berjudul

Sintesis Titanium Dioxide (TiO2) Anatase dan Fabrikasi Dye Sensitized Solar

Cell (DSSC) Menggunakan Antosianin dari Ekstraksi Ketela Ungu (Ipomoea

batatas L.

Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya skripsi ini terselesaikan

tepat waktu. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses pengerjaan skripsi

ini, ucapan terimakasih secara khusus penulis sampaikan kepada :

1. Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M. Sc, Ph. D, selaku pembimbing I yang

senantiasa membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan

skripsi.

2. Ibu Drs. Kusumandari M. Si, selaku pembimbing II atas kesabarannya selalu

memberikan masukan dan arahan selama proses penyelesaian skripsi.

3. Bapak Drs. Suharyana, M.Sc, selaku dosen pembimbing dalam analisa

menggunakan berbagai software pendukung skripsi.

4. Teman- teman material Fisika 2009-2010 dan Group DSSC (Fisika dan

Kimia)yang telah bersama-sama belajar dan berbagi ilmu mengenai DSSC

untuk memajukan kualitas topik ini.

Semoga Allah membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah

diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amin. Penulis menyadari akan

banyaknya kekurangan dalam penulisan Skripsi ini. Namun demikian, penulis

berharap semoga karya kecil ini bermanfaat.

Surakarta, 6 Januari 2014Penulis

Ajeng Ridho Khoirunisa


ix

PUBLIKASI

No Judul Penulis Jenis Publikas

1.Sintesa Nanopartikel Titanium Dioxide (TiO2) Anatase dan Analisa Pola Difraksi Sinar-XMenggunakan Metode Rietveldpada Program Lunak GSAS

Ajeng Ridho K, Ari Handono R, Suharyana, Sayekti

Majalah Metalurgi Edisi Tahun 2014 : No.01/MMet./IF.03/XII/2013, Lembaga Pengetahuan Indonesia Pusat Penelitian Metalurgi


x

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ..................................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ..................................................................................... iii

HALAMAN MOTO .................................................................................................... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................................... v

HALAMAN ABSTRAK ............................................................................................. vi

HALAMAN ABSTRACT ..........................................................................................vii

KATA PENGANTAR ...............................................................................................viii

HALAMAN PUBLIKASI ........................................................................................... ix

DAFTAR ISI................................................................................................................. x

DAFTAR TABEL......................................................................................................xiii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. xiv

DAFTAR SIMBOL ...................................................................................................xvi

DAFTAR LAMPIRAN.............................................................................................xvii

BAB I PENDAHULUAN............................................................................................. 1

1.1. Latar Belakang ................................................................................................... 1

1.2. Batasan Masalah........................................................................................ 4

1.3. Perumusan Masalah................................................................................... 5

1.4. Tujuan Penelitian....................................................................................... 5

1.5. Manfaat Penelitian..................................................................................... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................. 7

2.1. Energi Surya ............................................................................................... 7

2.2. Sel Surya .................................................................................................... 7

2.2.1 Sel Surya Konvensional ..................................................................... 8

2.2.2. Fotoelektrokimia Sel Surya ............................................................... 9

2.2.3. Dye-Semsitized Solar Cell (DSSC) ................................................. 10

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.idxi

2.3. Kinerja DSSC ................................................................................................... 12

2.4. Material Penyusun DSSC................................................................................. 14

2.4.1. Semikonduktor Kerja Nanopartikel Titanium Dioxide (TiO2) ........ 15

2.4.2.Dye Antocyanin Ubi Jalar Ungu (Ipomoea batatas L.,)................................. 16

2.4.3.Elektrolit ........................................................................................... 19

2.3.4.Counter Elektrode Carbon ............................................................... 20

2.3.5. FTO (Fluorine doped Tin Oxide) .................................................... 21

2.5.X-Ray Diffraction (XRD) .......................................................................... 21

2.6.Surface Area Analyzer (SAA) ................................................................... 24

2.7. Karakterisasi Sifat Optik dan Listrik Dye ................................................ 25

2.7.1. Uv-Visible Spektrometer................................................................. 25

2.7.2. Elkahfi I-V Meter ............................................................................ 26

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................................... 29

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................... 29

3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan.............................................................. 29

3.2.1. Peralatan yang Digunakan............................................................... 29

3.2.2.Bahan yang Digunakan .................................................................... 30

3.3. Metode Penelitian..................................................................................... 31

3.3.1. Prosedur Penelitian.......................................................................... 32

3.3.1.1. Pembuatan Bubuk TiO2....................................................... 32

3.3.1.2.Pembuatan Pasta TiO2 .......................................................... 33

3.3.1.3.Preparasi Deposisi Lapisan TiO2.......................................... 34

3.3.1.4. Ekstraksi Larutan Dye ......................................................... 35

3.3.1.5.Preparasi Elektrolit ............................................................... 36

3.3.1.6.Pembuatan Pasta Karbon.................................................... ..36

3.3.1.7.Preparasi Deposisi Lapisan Karbon .................................... .37

3.3.1.8. Fabrikasi Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) ..................... .37

3.4. Teknik Analisa Data ................................................................................. .38

3.4.1.Karakteristik Absorbansi Dye ......................................................... .38

xi

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.idxii

3.4.2. Karakterisasi Sifat Listrik Dye ........................................................ 38

3.4.3.Karakteristik Struktur Kristal TiO2 ................................................ ..39

3.4.4.Karakteristik Luasan Permukaan TiO2............................................. 40

3.4.5.Karakteristik Arus dan Tegangan Sel Surya ................................... .41

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................... .43

4.1.Karakterisasi Bubuk TiO2 dengan X-Ray Diffraction (XRD) .................. .43

4.2. Analisa Luasan Permukaan TiO2 ............................................................ .47

4.3. Karakteristik Absorbansi Dye terhadap Tingkat Keasaman (pH) ........... .50

4.4. Karakteristik Konduktivitas Dye dengan Elkafi...................................... .52

4.5. Karakteristik Arus-Tegangan DSSC dengan Keithley ............................ .53

BAB V PENUTUP ..................................................................................................... 60

5.1.Kesimpulan................................................................................................ 60

5.2. Saran ......................................................................................................... 61

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 62

LAMPIRAN................................................................................................................ 66

xii


xiii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1. 2)pada Pola Difraksi TiO2 dengan Software GSAS ....................................................... 44

Tabel 4.2. Hasil Analisis Ukuran Kristal TiO2 Menggunakan Persamaan Scherrer .. 45

Tabel 4.3. Hasil Analisis Luas Permukaan Bubuk TiO2............................................. 49

Tabel 4.4. Hasil Analisa Sifat Kelistrikan dengan Persamaan Konduktivitas ............ 52

Tabel 4.5. Efisisensi Sel Surya dengan Variasi Suhu Kalsinasi Sintesis TiO2 dan Intensitas Penyinaran .................................................................................................. 58

Tabel 1. Data Ukuran Kristal TiO2 pada Puncak Tertinggi Semua Sampel pada Bidang d101 .................................................................................................................. 66

Tabel 2. Data Jarak Antar Bidang Kristal TiO2 pada Puncak Tertinggi Semua Sampel pada Bidang d101 ............................................................................................ 67

Tabel 3. Data Nilai Konduktivitas Larutan Dye tiap Sampel dengan Variasi pH pada Kondisi Gelap..................................................................................................... 74

Tabel 4. Data Nilai Konduktivitas Larutan Dye tiap Sampel dengan Variasi pH pada Kondisi Terang ................................................................................................... 74

Tabel 5. Data Pengukuran I(Arus)-V(tegangan) Sel DSSC pada TiO2 Kalsinasi 500oC menggunakan I-VMeter Keithley ..................................................................... 75



Tabel 8. Data Fill Factor pada Sel Surya menggunakan Keithley.............................. 81

Tabel 9. Data Pengukuran I(Arus)-V(tegangan) Sel DSSC pada TiO2 Kalsinasi 550oC menggunakan I-VMeter Keithley Penyinaran 1006W/m2 dengan (penyimpanan Sel selama 7 Hari) ............................................................................... 83

Tabel 10.Data Perhitungan I(Arus)-V(tegangan) Sel DSSC pada TiO2 Kalsinasi 550oC menggunakan I-VMeter Keithley Penyinaran 1006W/m2 dengan (penyimpanan Sel selama 7 Hari) ............................................................................... 84


xiv

DAFTAR GAMBAR

Halama

Gambar 2.1. Skema Cara Kerja Sel Surya Silikon ..................................................... ..8

Gambar 2.2. Susunan Satu Sel DSSC dengan Struktur Sandwich............................. .10

Gambar. 2.3. Prinsip Kerja DSSC ............................................................................. .11

Gambar 2.4. Kurva Karakteristik untuk Menentukan Fill Factor Sel Surya............. .12

Gambar 2.5. Karakteristik I-V pada Sel Surya .......................................................... .13

Gambar 2.6. Material Penyusun DSSC....................................................................... 14

Gambar 2.7. (a) Struktur Kristal TiO2rutile................................................................ 15

(b) Struktur Kristal TiO2 anatase ................................................................................ 15

(c) Struktur Kristal TiO2 brookite .............................................................................. .15

Gambar 2.8.Perbandingan Level Energi dari Beberapa Semikonduktor .................... 16

Gambar 2.9. Struktur Molekul Antocyanin................................................................. 17

Gambar 2.10. Ubi Jalar Ungu ..................................................................................... 18

Gambar 2.11. Skema DifraksiSinar-X (XRD) ............................................................ 22

Gambar 2.12.Kurva Pengukuran Luas Permukaan Material menggunakan Metode BET ............................................................................................................................. 24

Gambar 2.13. Skema Hukum Lambert-Beer .............................................................. 25

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 31

Gambar 3.2. Pengontrolan pH Larutan Sintesis TiO2 pada Metode sol-gel dengan menggunkan pH-Meter ............................................................................................... 32

Gambar 3.3. Proses aging dengan menggunkan Hot-Plate ........................................ 32

Gambar 3.4. Alir Pembuatan Bubuk TiO2 .................................................................. 33

Gambar 3.5.Pembuatan Pasta TiO2............................................................................. 34

Gambar 3.6. Penggunaan Ultrasonic Cleaner ............................................................ 34

Gambar 3.7. Ilustrasi Skema Area Deposisi Lapisan TiO2......................................... 35

Gambar 3.8.................................................................................................................. 36

(a) Proses Pengadukan Bahan Ekstraksi dye Ketela Ungu ......................................... 36

(b) ProsesPenyaringan Bahan Ekstraksi dye Ketela Ungu......................................... 36

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.idxv

(c) Hasil Ekstraksi dye Ketela Ungu........................................................................... 36

Gambar 3.9. Ilustrasi Skema Area Deposisi Lapisan Karbon.................... ...37

Gambar 3.10. Fabrikasi DSSC..................................................................

Gambar 3.11. Spektrofotometer UV-Visible Lamda 25 ........................................

Gambar 3.12. Pengujian Elkahfi I-Vmeter Kondisi Terang ..................................

Gambar 3.13. Pengujian Karakteristik Bubuk TiO2 menggunkan X-Ray Diffraction (XRD)...............................................................................................

Gambar 3.14.Surface Area Analyzer (SAA)............................................................... 40

Gambar 3.15. Seperangkat Keithley............................................................................ 41

Gambar 4.1. Karakterisasi XRD pada Pola Difraksi Bubuk TiO2 (A1, A2 dan A3)...43

Gambar 4.2. Bubuk TiO2 sampel A1, A2 dan A3..................................................... ..46

Gambar 4.3. Grafik Absorbsi-Disorbsi pada Analisa SAA (A1, A2 dan A3) ...

Gambar 4.4.Ekstraksi dye Variasi pH larutan............................................................. 49

Gambar 4.5. Spektrum Absorbansi dye Ketela Ungu dengan Variasi pH .50

Gambar 4.6. Grafik Hubungan Tegangan dan Arus pada Larutan dye Variasi .51

(a) Kondisi Gelap (b) Kondisi Terang ..................................................................... ..52

Gambar 4.7.Proses Perendaman dye selama 24 jam ................................................. ..53

Gambar 4.8.Pengujian dengan Alat I-Vmeter Keithley .................................. 4

Gambar 4.9.Pengujian Sel Surya Penyinaran 1009W/m2 ........................................... 55

(a) Kurva I-V dengan Sampel A1 direndam dye pH-1 .................................. 55

(b) Kurva I-V dengan Sampel A2 direndam dye pH-1 .................................. 55

(c) Kurva I-V dengan Sampel A3 direndam dye pH-1 .................................. 56

Gambar 4.10. Kurva Perbandingan Intensitas Penyinaran pada Sel Surya ................ 57

xv

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.idxvi

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

Daya Watt

Tegangan Volt

ArusAmpere

Efisiensi %

Tahanan Jenis Penghantar ohm.m

Sudut radian

good of fitting -

Celah Energi eV

Konduktivitas1/ohm.m

Ukuran Kristal nm

Parameter Kisi Å

Parameter Kisi Å

Hambatan ohm

Lebar Celah m

Luasan m2

xvi


xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1.Database JCPDS Kristal TiO2Anatase (84-1286) ................................... 66

Lampiran 2. Data dan Perhitungan Ukuran Kristal TiO2 pada Puncak Tertinggi pada Bidang d101 dengan Persamaan Schereer ........................................................... 67

Lampiran 3. Data dan Perhitungan Jarak Antar Bidang Kristal TiO2 pada Puncak Tertinggi pada Bidang d101 dengan Persamaan Bragg ............................................... 68

Lampiran 4. Gambar Grafik Pola Dfraksi Kristal TiO2 pada Software GSAS ........... 69

Lampiran 5.Data Good of Fitting PolaDfraksi Kristal TiO2 pada Software GSAS.... 70

Lampiran 6.DataParameter Kisi Pola Dfraksi Kristal TiO2 padaSoftware GSAS............... 71

Lampiran 7. Kurva dan Data Luas Permukaan TiO2 berdasarkan Metode BET pada Pengujian SAA ................................................................................................... 72

Lampiran 8. Data Nilai Konduktivitas Larutan dye Variasi pH Larutan Kondisi Gelap dan Terang........................................................................................................ 75

Lampiran 9. Data Pengukuran I(Arus)-V(tegangan) Sel DSSC pada TiO2 Variasi Suhu Kalsinasi menggunakan I-VMeter Keithley ...................................................... 76

Lampiran 10. Data Fill Factor pada Sel Surya menggunakan Keithley ..................... 81

Lampiran 11.Grafik I-V Sel Surya pada Penyinaran 2006W/m2................................ 82

Lampiran 12.Data Perhitungan I(Arus)-V(tegangan) Sel DSSC Suhu Kalsinasi 550oC penyinaran 1006W/m2(setelah 7 hari).............................................................. 83

Documents

SINTESIS TITANIUM DIOXIDE (TiO2 ANATASE DAN … · menggunakan antosianin dari ekstraksi ketela ungu (ipomoea batatas l.) disusunoleh : ajeng ridho khoirunisa m0210007 skripsi jurusan