DYE –SENSITIZED SOLAR CELLS (DSC)

Hey All,

posting kali ini merupakan salah satu topik riset yang akan saya kembangkan untuk tesis, yaitu sel surya berpewarna tersensitisasi atau lebih beken disebut Dye-sensitized Solar Cell (DSC). Apa itu?? nah daripada penasaran, yuk bareng-bareng simak penjelasan berikut... Happy reading ya.. semoga bermanfaat, :D

=========================================================================

Perkembangan sel surya saat ini tidak hanya pada sel surya berbasis wafer silicon saja (a-Si, mono dan poly Si) namun sel surya organik juga telah banyak diteliti untuk kebutuhan sel surya yang murah dan mudah dibuat.

Sejarah dan Perkembangan DSC

Pada tahun 1991, Michael Grätzel dan Brian O’Regan telah menemukan “Dye-sensitized Solar Cells” yang biasa disebut sel Grätzel. Sel pertama hanya dapat digunakan untuk spektrum ultraviolet dan biru pada cahaya matahari. Seiring perkembangan jaman, kemajuan teknologi mampu memperlebar frekuensi cahaya dimana sel surya ini mampu merespon cahaya matahari dengan memanfaatkan bahan dye tertentu. Bahan dye yang paling efisien secara mudah disebut dengan dye hitam karena warna dari dye yang sangat gelap.

Meskipun solar sel berbasis silicon saat ini lebih efisien, DSC tetap banyak dikembangkan karena proses manufakturnya yang mudah dan jauh lebih murah. Efisiensi secara keseluruhan penemuan dan penelitian DSC mampu mencapai 11% dengan memanfaatkan titanium dioksida (TiO₂). Saat ini peneliti pada Universitas Washington menemukan teknik baru  yang mengadopsi metode bola popcorn. Ketika cahaya mengenai permukaan sel surya, beberapa persen cahaya dipantulkan. Ide pada efek bola popcorn  adalah membuat sebanyak  mungkin lapisan sangat tipis, sehingga efisiensi keluaran sel surya dapat berlipat ganda. 

Pada pengujian metode bola popcorn, peneliti takjub telah menemukan cara menaikkan efisiensi sel surya berbasis seng dioksida dari 2,9% menjadi lebih dari 6%. Peningkatan efisiensi dari DSC ini membuat posisi sel surya ini menjadi lebih siap untuk segera dikomersiilkan bersama produk pengkonversi energi lain. Pada masa yang akan datang diharapkan efisiensi DSC dapat lebih ditingkatkan lagi.

 Prinsip Kerja dan Komponen DSC

Prinsip Kerja

Sel surya dengan bahan pewarna tersensitisasi ini pertama kali dikembangkan oleh Prof. Michael Gratzel dari Swiss. Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan topik penelitian yang dilakukan secara intensif untuk mengembangkan sel surya yang murah dan andal. Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC merupakan sel surya berbasis fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. Selain elektrolit, DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO₂, molekul dye yang teradsorpsi di permukaan TiO₂, dan katalis yang semuanya dideposisi diantara dua kaca konduktif, seperti terlihat pada Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Struktur Dye-Sensitized Solar Cell

Pada bagian atas dan alas sel surya merupakan kaca yang sudah dilapisi oleh TCO (Transparent Conducting Oxide) umumnya SnO₂, yang berfungsi sebagai elektroda dan counter-elektroda. Pada TCO counter-elektroda dilapisi katalis untuk mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit. Pasangan redoks yang umumnya dipakai yaitu I^-/I^3- (iodida/tri-iodida). Pada permukaan elektroda dilapisi oleh nanopori TiO₂ dengan dye teradsorpsi pada pori-pori TiO₂. Bahan dye yang umumnya digunakan yaitu jenis ruthenium complex. Skema kerja dari DSSC ditunjukkan pada Gambar 2 berikut ini.

Gambar 2. Skema kerja DSSC

Pada dasarnya prinsip kerja dari DSSC merupakan reaksi dari transfer elektron. Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron pada molekul dye akibat absorbsi foton. Elektron tereksitasi dari ground state (D) ke excited state (D*).

    D + e^- -->  D⁺                                                                                          (1)

Elektron dari excited state kemudian langsung terinjeksi menuju conduction band (E_CB) titania sehingga molekul dye teroksidasi (D⁺). Dengan adanya donor elektron oleh elektrolit (I^-) maka molekul dye kembali ke keadaan awalnya (ground state) dan mencegah penangkapan kembali elektron oleh dye yang teroksidasi.

    2D⁺ + 3e^-  --> I₃^- + 2D                                                                            (2)

Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju counter-elektroda melalui rangkaian eksternal. Dengan adanya katalis pada counter-elektroda, elektron diterima oleh elektrolit sehingga hole yang terbentuk pada elektrolit (I₃^-), akibat donor elektron pada proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron membentuk iodida (I^-). 

      2I₃^- + 2e^- --> 3I^-                                                                                 (3)

Iodida digunakan untuk mendonor elektron kepada dye yang teroksidasi, sehingga terbentuk suatu siklus transport elektron. Dengan siklus ini terjadi konversi langsung dari energi cahaya matahari menjadi energi listrik.

Komponen-komponen DSSC

Substrat

Substrat yang digunakan pada DSSC yaitu jenis TCO (Transparent Conductive Oxide) yang merupakan kaca transparan konduktif. Material substrat berfungsi sebagai badan dari sel surya dan lapisan konduktifberfungsi sebagai media transport muatan (elektron). Material yang umumnya digunakan yaitu flourine-doped tin oxide (SnO₂F atau FTO) dan indium tin oxide (In₂O₃:Sn atau ITO). Material ini dipilih karena pada proses pelapisan material TiO₂ ke substrat, diperlukan proses sintering pada temperatur 400-500^oC dan kedua material tersebut tidak mengalami cacat pada rentang temperatur tersebut. 

 

Gambar 3. Perbesaran adsorbsi dye pada  substrat dan oksida semikonduktor

Untuk aplikasinya pada DSSC, TiO₂ yang digunakan umunya berfasa anatase karena mempunyai kemampuan fotoaktif yang tinggi.

Nanopori Oksida Semikonduktor

Penggunaan oksida semikonduktor dalam fotoelektrokimia dikarenakan kestabilannya menghadapi fotokorosi. Lebar pita energinya yang besar (> 3eV), dibutuhkan dalam DSSC untuk transparansi semikonduktor pada sebagian besar spektrum cahaya matahari. Semikonduktor digunakan antara lain TiO₂, ZnO, CdSe, CdS, WO₃, Fe₂O₃, SnO₂, dan Nb₂O₅. Namun TiO₂ masih menjadi material yang sering digunakan karena efisiensi DSSC menggunakan TiO₂ lebih tinggi dari yang lainnya. 

Dye

Fungsi absorbsi cahaya dilakukan oleh molekul dye yang teradsorpsi pada permukaan TiO₂. Dye yang umumnya digunakan dan mencapai efisiensi paling tinggi yaitu jenis ruthenium complex. DSSC menggunakan ruthenium complex telah mencapai efisiensi yang cukup tinggi, namun dye jenis ini cukup sulit untuk disintesa dan ruthenium complex komersil berharga sangat mahal. Alternatif lain yaitu penggunaan dye dari tumbuhan khususnya dye antosianin. Antosianin ini yang menyebabkan warna merah dan ungu pada tumbuhan. Salah satu pigmen sianin yang memegang peranan penting dalam proses absorbsi cahaya yaitu cyanidin 3-O-β-glucoside.

Gambar 4. Susunan kimia bahan dye

 Elektrolit

Elektrolit yang digunakan pada DSSC terdiri dari iodin dan triiodida  sebagai pasangan redoks dalam pelarut. Karakteristik ideal dari pasangan redoks untuk elektrolit DSSC yaitu,

1. Potensial redoksnya secara termodinamika berlangsung sesuai dengan potensial redoks dari dye untuk tegangan sel yang maksimal. 
2. Tingginya kelarutan terhadap pelarut untuk mendukung konsentrasi yang tinggi dari muatan pada elektrolit.
3. Pelarut mempunyai koefisien difusi yang tinggi untuk transportasi massa yang efisien.  
4. Tidak adanya karakteristik spektral pada daerah cahaya tempak untuk menghindari absorbsi cahaya daatng pada elektrolit.
5. Kestabilan yang tinggi baik dalam bentuk tereduksi mauun teroksidasi.
6. Mempunyai reversibilitas tinggi dan inert terhadap komponen lain.

Katalis Counter Elektroda

Platina merupakan counter electrode yang paling baik. Dikarenakan harganya yang sangat mahal, elektroda karbon merupakan alternatif lain untuk mereduksi triiodida. 

Referensi

Gratzel, Michael. Review Dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and Photobiology C, Vol. 4, 2003, pp. 145 – 153.

Karasovec, U. O., Berginc, M., Hocevar, M., and Topic, M. Unique TiO₂ paste for high efficiency dye-sensitized solar cell. Solar Energy Materials & Solar Cell, Vol. 93, 2009, pp. 379 – 381.

Septina, W., Fajarisandi, D. dan Aditia, M.  2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell). Laporan Penelitian Bidang Energi, Institut Teknologi Bandung.  

Janne Halme, “Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary tests,” Master Thesis Department of Engineering Physics and Mathematics, Helsinki University of Technology, February 12, 2002.