SEMINAR TUGAS AKHIR -...
-
Upload
nguyenmien -
Category
Documents
-
view
216 -
download
0
Transcript of SEMINAR TUGAS AKHIR -...
SEMINAR TUGAS AKHIR 2014
19 Mei 2014
Kebutuhan energi dunia 10 terra watt, diperkirakan tahun 2030 mencapai 30 terra watt.
Energi matahari yang sampai ke permukaan bumi mencapai 2,6 x 1024
Joule/tahun
Harganya mahal, pembuatan sulit dan bahan baku dialam
terbatas
1991Dye Sensitized Solar Cell oleh
Grätzel dan O’Regan
Murah dan ramah lingkungan
Ruthenium complexη= 11,1 %
Harga mahal, sintesis sulit dan tidak ramah
lingkungan
Total Panen Manggis 79.073 ton/tahun
Titanium dioksida TiO2Anatase3,2 eV
Rutile3 eV
BrookiteSulit didapatkan
Anatase
Rutile
η < ηdicampur (+)Anatase
Rutile
atau
PewarnaFraksi Volume
(A:R)η
(%)
KulitManggis
100% : 0% 0,01575% : 25% 0,03750% : 50% 0,01025% : 75% 0,0140% : 100% 0,011
Rhoeospathacea
100% : 0% 0,01275% : 25% 0,01350% : 50% 0,00125% : 75% 0,0020% : 100% 0,005
Tugas Akhir
OPTIMALISASI FRAKSI VOLUME TiO2ANATASE DAN RUTIL TERHADAP EFISIENSI
DSSC (DYE SENSITIZED SOLAR CELL)
Dosen Pembimbing :1. Dr. Ing. Doty Dewi Risanti, S.T., M.T.2. Dyah Sawitri, S.T., M.T.
Oleh :Bibit Lestari (2410100058)
PermasalahanPermasalahan pada
penelitian tugas akhirini adalah pada fraksivolume TiO2 anatasedan rutil berapa yangoptimal agar dihasilkanefisiensi DSSCmaksimal ?
TujuanTujuan dilakukan
tugas akhir ini adalahuntuk mengetahuipengaruh fraksivolume TiO2 anatasedan rutile terhadapefisiensi yangdihasilkan DSSC
PERMASALAHAN & TUJUAN
Pelapisan TiO2 pada kaca TCOmenggunakan metode doctor blade.
TiO2 yang digunakan mempunyai variasifraksi volume anatase : rutile yaitu65%:35%, 70%:30%, 80%:20%, 85%:15%,90%:10% dan 95%:5%. Pemilihan fraksi iniberdasarkan pada hasil yang telah diperolehpada penelitian sebelumnya (Agustini,2013).
Kulit manggis dan Rhoeo spathaceadiekstrak menggunakan metode soklet
BATASAN MASALAH
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)
Anode : *DhvD →+
)( 22* TiOeDTiOD cb
−+ +→+−−+ +→+ 3232 IDID
Katode : −−− →+ IkataliseI 3)(23
HOMO : Highest Occupied Molecular OrbitalLUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbital
D : pewarna D* : pewarna tereksitasiD+ : pewarna yang sudah melepaskan elektronI- : iodide I3
- : triiodide
PERFORMANSI DSSC
FFIVP SCOCMAX ..=
SCOC
MPPMPP
IVIVFF .
=
Cahaya
MAX
PP
=η
ISC diukur pada saat hambatan luardibuat bernilai nol (arus maksimal).
VOC diukur pada saat hambatan luardibuat bernilai maksimal (teganganmaksimal).
cahaya
SC
PJIPCE
××
=λ
1240[%]
JSC = kerapatan arus (µA cm-2)λ = panjang gelombang (nm)Pcahaya = daya (µW cm-2).
Mulai
Persiapan alat dan bahan
Exstrak PewarnaSintesis Titanium
dioksida
Uji UV-Vis Uji XRD
Uji BET Pelapisan Titanium dioksida pada kaca TCO
UJI AFM
Perendaman kaca TCO berlapis Titanium dioksida dalam
pewarna
A
Tidak Tidak
Ya
Ya
METODOLOGI PENELITIAN
Perakitan DSSC dengan penambahan elektrolit dan elektrooda lawan
Pengujian DSSC dengan IPCE
Pengujian dan pembahasan performasi DSSC setiap sampel
Kesimpulan
Selesai
A
EXSTRAKSI PEWARNA DAN KARAKTERISASI
Alat dan bahanSokletBlenderMagnetic stirrerGelas beker TimbanganGelas ukurHot plateEthanol 96%Bubuk ManggisBubuk daun
Rhoeo spatachea
Kulit manggis dan daun Rhoeo spatachea dikeringkan
dan dihancurkan sampai menjadi bubuk
Diekstrak menggunakan soklet pada suhu 200 oC selama 5 jam,
dengan perbandingan bubuk pewarna :pelarut sebesar 1:5
Pengujin UV-vis untuk melihat absorbansin panjang gelombang
SINTESIS DAN KARAKTERISASI TiO2
Alat dan BahanMagnetic stirrerTimbanganGelas bekerGelas ukurCrucibleSpatulaHot plateMortar TiCl3 (15% wt, Merck) Hidrochloric Acid fuming (HCL) 37% Ammonia solution (NH4OH) 25% Aquades
10 ml TiCl3 + 4,7 Aquades + 0,3 HCl
diaduk pada suhu 45 oC
Ditambah 20 ml HCl
Ditambah 50 ml NH4OH secara terus-menerus sampai bewarna putih
(menghasilkan endapan)
Endapan dicuci menggunakan aquades samapi bau amonianya
hilang
Endapan dikalsinasi pada suhu 400 oC selama 5 jam untuk fase anatase dan1000 oC selama 7
jam untuk fase rutile
Pengujian XRD untuk mengetahui fase yang terbentuk dan ukuran
partikel
400 450 500 550 600 650 7000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
658 nm
423 nm
392,5 nm
Abso
rban
si
Panjang Gelombang, λ (nm)
Rhoeo spatachea Manggis
ABSORBANSI PEWARNA
Absorbsi kulit manggis berada pada range 400 – 500 nmAbsorpsi Rhoeo spathacea berada pada range 410 – 420 nm dan 660 – 670 nm
ABSORBANSI PEWARNA CAMPURAN
400 450 500 550 600 650 7000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Abso
rban
si
Panjang Gelombang (nm)
90% Rhoeo 80% Rhoeo 70% Rhoeo 60% Rhoeo 50% Rhoeo 40% Rhoeo 30% Rhoeo 20% Rhoeo 10% Rhoeo
HASIL XRD TiO2
20 30 40 50 60
0
200
400
600
800
1000
1200
1400 R
R RR
RR
R
R
R
RAA
A
A
Inte
nsita
s
2θ (ο)
Anatase Rutile
( ) FWHMD
*cos89,0
θλ
=
Persamaan Scherrer
Fase Ukuran partikel
Anatase 30 nmRutile 44,9 nm
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0-4-202468
1012
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
-202468
10
Adsorpsi 90% Anatase, 10% Rutile Desorpsi 90% Anatase, 10% Rutile
Volu
me
@ S
TP
(cc
)
Tekanan Relatif, p/po
Adsorpsi 70 % Anatase, 30% Rutile Desorpsi 70 % Anatase, 30% Rutile
ADSORPSI DAN DESORPSI SERBUK TiO2
AVD nS
ρ=
SPR )1( −= ρ
)( 1 VpVpP
+=
−ρ
S = Luas permukaan partikel (m2/g), n = Partikel faktor (n=6), ρ = massa jenis TiO2 (4,23 g/cm3) Dav = ukuran partikel rata-rataR = Ruoghness factorP = porositasVp = Volume pori (cm3/g)ρ-1 = Invers dari massa jenis TiO2 (0,2364 cm3/g)
Fraksi Volume (A:R))
Luas Permukaan
(m2/g)
Volume Pori
(cc/g)
Diameter Pori (nm)
Ukuran Partikel
BET (nm)
100%:0%* 113,020 0,28 3,38 12,5590%:10% 155,654 0,27 5,59 9,11
75%:25%** 70,690 0,19 9,74 20,0570%:30% 126,573 0,22 5,62 11,2
50%:50%** 36,330 0,12 9,51 39,0225%:75%** 35,380 0,11 3,84 40,090%:100%* 93,940 0,14 3,04 15,09
KARAKTERISASI SERBUK TiO2 PADA SETIAP FRAKSI VOLUME
POROSITAS DAN ROUGHNESS FACTOR DARI SERBUK TIO2 PADA SETIAP
FRAKSI VOLUME
Fraksi Volume (Anatase: Rutile)
Porositas (%)
Roughness factor per µm
100%:0%* 54 21990%:10% 53 310
75%:25%** 45 16370%:30% 48 280
50%:50%** 34 10225%:75%** 32 1010%:100%* 37 250
TOPOGRAFI PERMUKAAN TIO2
Topografi90% A: 10% R
Topografi70% A: 30% R
IPCE PEWARNA KULIT MANGGIS
400 450 500 550 600 650 7000,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
400 420 440 460 480 5000,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
% IP
CE
Panjang Gelombang (nm)
65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
% IP
CE
Panjang Gelombang, λ (nm)
Semakin besar nilai IPCE, semakin besar foton yang diubahmenjadi arusIPCE pewarna kulit manggis adalah 0,00207 %
IPCE PEWARNA RHOEO SPATACHEA
400 450 500 550 600 650 7000,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
400 420 440 460 480 5000,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
% IP
CE
Panjang Gelombang (nm)
65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
% IP
CE
Panjang Gelombang, λ (nm)
IPCE Rhoeo spatachea sebesar 0,00323%.
KURVA I-V PEWARNA KULIT MANGGIS
0 100 200 300 4000
5
10
15
20
25
η= 0,017%
η= 0,024%
η= 0,033%
η= 0,03%η= 0,076%
η= 0,035%
Aru
s (m
A)
Tegangan (mV)
65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
KURVA I-V PEWARNA RHOEO SPATACHEA
0 100 200 300 4000
2
4
6
8
10
12
14
16
η=0,027%
η=0,01%
η=0,035%
η=0,009%
η=0,063%
η=0,035%Aru
s (m
A)
Tegangan (mV)
65% Anatase 70% Anatase 80% Anatase 85% Anatase 90% Anatase 95% Anatase
PewarnaFraksi
Volume (A:R)FF (%)
Jsc(mA/cm2)
Voc (mV) η (%)
Kulit Manggis
75%:25%* 19 0,08 358 0,03795%:5% 36 0,054 271 0,035
90%:10% 32 0,104 347 0,07685%:15% 32 0,06 252 0,03380%:20% 22 0,03 400 0,01770%:30% 30 0,038 314 0,02465%:35% 31 0,064 227 0,03
Rhoeo spatachea
75%:25%* 39 0,019 294 0,01395%:5% 30 0,056 206 0,035
90%:10% 40 0,057 415 0,06385%:15% 33 0,054 228 0,03580%:20% 30 0,028 185 0,0170%:30% 32 0,043 286 0,02765%:35% 37 0,021 179 0,009
PENGUJIAN EFISIENSI
PERBANDINGAN DENGAN PENELITIAN SEBELUMNYA
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 50% 25% 100%0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
*
***
**
Efi
sien
si (%
)
% Rutile
Kulit manggis Rhoeo spatachea
** (Rata-rata dari Agustini, 2013 dan eksperimen)* (Agustini, 2013)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
120
140
160
Lua
s Pe
rmuk
aan
(m2 /g
)
% Rutile
PERBANDINGAN PEWARNA TUNGGAL DENGAN PEWARNA CAMPURAN
Pewarna Kulit manggis
Campuran kulit manggis dan
Rhoeo spatachea
Rhoeo spatachea
FF 32 26 40Jsc (mA/cm2) 0,104 0,122 0,057Voc (mV) 347 413 415η % 0,076 0,088 0,063
KESIMPULAN• Fraksi volume anatase/rutile yang paling baik digunakan
sebagai dye sensitized solar cell (DSSC) adalah 90%:10%dengan efisiensi sebesar 0,076% untuk pewarna kulit manggisdan 0,063% untuk pewarna Rhoeo spatachea.
• Penambahan rutile yang optimal untuk digunakan sebagaiDSSC adalah 5%-15%.
• Efisiensi DSSC dengan pewarna kulit manggis lebih tinggidibandingakan DSSC dengan pewarna Rhoeo spatachea
• DSSC dengan menggunakan pewarna campuran kulit manggisdan Rhoeo spatachea (20%:80%) menghasilkan efisiensi yanglebih baik yaitu sebesar 0,088% dibandingkan hanyamenggunakan pewarna kulit manggis atau Rhoeo spatacheasaja.
Daftar PustakaAgustini, S., 2013.“ Fabrikasi Dye Sensitized Solar Cell Berdasarkan Fraksi
Volume TiO2 Anatase-Rutile Dengan Garcinia mangostana Dan Rhoeospatachea sebagai Dye Fotozensitizer”. Tugas Akhir, ITS
Castro, A.L., Nunes, M.R., Carvalho, A.P., Costa, F.M., Florencio, M. H., 2008.“Synthesis of Anatase TiO2 Nanoparticles With High Temperature StabilityAnd Photocatalytic Activity”. Solid State Sciences vol. 10, hal. 602 – 606
Chang, H. dan Lo, Y.J., 2010. “Pomegranate Leaves And Mulberry Fruit asNatural Sensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Solar Energyvol. 84, hal. 1833 – 1847
Chiba, Y., Islam, A., Watanabe, Y., Komiya, R., Koide, N., dan Han, L.Y., 2006.“Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%”. Jpn. J.Appl. Phys. 45, L638–L640
Grätzel, M., 2003.” Dye-sensitized solar cells”. Journal of Photochemistry andPhotobiology C: Photochemistry Reviews, vol 4, hal 145–153
SEKIAN &TERIMAKASIH
SKEMA PENGUKURAN IPCE•Monokromator (CT-10T, JASCO) •Lampu halogen (GR-150)•Optical Power Meter (Thorlab S-120C).
4 cm 1 cm
monokromator
halogen
DSSC
rangkaian ekuivalen
multimeter1
UV-Vis Spektrophotometer
Lampu
Sampel Cuvet
Monokromator
LensaDetektor
Blanko untuk mengoreksi adanya sinar yang dipantulkan oleh kuvet dan sinar yang diserap oleh substituen lain.
baA ..ε=
A = Absorbansiε = Absortivitas (1/ M Cm). Absortivitas merupakan absorban larutan 1 M dalam sel cuvet yang lebarnya1 cma = Ketebalan larutan (cm)b = Konsentrasi Larutan (M
2
PENGUJIAN AFM
Cantilever
Permukaan sampel
Tip
Laser
Detektor
Saat ada permukaan yang tidak rata, sudut tip dancatilever akan berubah
Akibat adanya perubahan sudut, maka pantulan laser yang diterima
detektor juga akan berubah
Berkas laser dicitrakan
menjadi topografi3
PENGUJIAN BET
Sebelum sampel dimasukkan kedalam mantel pemanas, tabungsel dikondisikan dalam kedaan
vakum
Selanjutnya, gas N2dialirkan sebagai adsorbat
pada sampel uji.Dari banyaknya N2 yang diadsorb
pada permukaan sampel inilahyang nantinya dianalisa dan
menghasilkan data luas permukaan, ukuran, volume dan distribusi
ukuran pori yang ingin diketahui.4
PENGUJIAN XRD Pemanasan kawat tungsten menghasilkan elektron
Elektron ditembakkanpada logam target
Dihasilkan sinar-X
Sinar-X dijatuhkan pada sampekristal, kemudian terjai difraksi
Hasil difraksi sinar-X ditangkapdetektor dan diolah menjadi grafik
5
Fabrikasi DSSC
Selotip
Pasta TiO2
Spatula
TCO
0,5 cm 0,5 cm
6
Cara menghitung EfisiensiTegangan Arus Daya
228,4 0 0207 5 1035204 5,7 1162,8189 6,8 1285,2173 7,2 1245,6132 8,5 1122105 9,2 96671 9,7 688,731 11,9 368,90 13,6 0
Voc = 228,4 mV Isc = 13,6Vmpp = 189 Impp = 6,8
IscVocppVmppFF
.Im.
=
42,06,13.4,228
8,6.189==FF
FFIVP SCOCMAX ..=
910.62,130442,0.6,13.4,228 −==MAXP
Cahaya
MAX
PP
=η %0343,000375,0
6^10.30462,1=
−=η 7
Masssa ke Jumlah Atom
ArMrMassaMol
/=
AvogadroAtomMol =
AvogadroAtom
ArMrMassa
=/
Bilangan avogadro = 6,023 10238
ANATASE & RUTILE
Rutile Anatase Brookite Bentuk Kristal Tetragonal Tetragonal Orthorombic
a(Å) 4.5845 3.7842 9.184b(Å) - - 5.447c(Å) 2.9533 9.5146 5.145
Massa jenis (g/cm3)
4.2743 3.895 4.123
9
TETRAGONAL & ORTHORHOMBIC
10
Sel Surya Silikon
Elektron dan hole inidapat bergerak dalammaterial sehinggamenghasilkan pasanganelektron-hole.
Ketika junction disinari, photon(energi sama atau lebih besardari lebar pita energisemikonduktor) menyebabkaneksitasi elektron dari pita valensike pita konduksi dan akanmeninggalkan hole pada pitavalensi.
Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, makaelektron dari arean akan kembali ke area-p sehinggamenyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir.
11
FTIR
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
20
40
60
80
100 Manggis Rhoeo spathacea
878,
02
1043
,49
1085
,92
1326
,70
1382
,22
1647
,48
2898
,57
2975
,74
3343
,29
577,
5887
8,67
1043
,79
1086
,27
1380
,76
1647
,60
2891
,87
2973
,90
Tran
smita
nsi (
%)
Bilangan gelombang (cm-1)
3334
,52
Antosianin memiliki spektrum absorpsi rentang 3200-3400 cm-1
12
Anthosianin
Senyawa Penganti NamaR1 R2 R3 R4 R5 R6 R7H OH H OH H OH H Apigeninidin
OH OH OH OH H OH H AurantinidinOH OH H OH OH OH H CyanidinOH OH H OH OH OH OH DelphinidinH OH H OH OH OH H Luteolin
OH OH H OH H OH H PelargonidinOH H OH OH H OH H Riccionidin AH OH H OH OH OH OH Tricetinidin13
ni=0 orbital kosong.ni=1 sebagai orbital molekul terisi tunggal atau Single OccupiedMolecular Orbital (SOMO).ni=2 sebagai orbital terisi penuh.Pada orbital yang terisi penuh, orbital molekul tertinggi yangterisi disebut sebagai Highest Occupied Molecular Orbital(HOMO) dan orbital molekul terendah yang tidak terisi disebutsebagai Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO)
HOMO & LUMO
14
Hambatan Seri
15
Hambatan Seri
Rh = Hambatan TCOR1 = Interface antara elektrolit/Pt-TCOR3= Nernst difusi dengan elektrolit
* Rh
16
*R1
R dengan Pt = 20,6 ΩR tanpa Pt = 1806 Ω
Hambatan Seri
17
*R3Hambatan Seri
18
Pita Diagram Campuran Anatase & Rutile
Pita Valensi
Pita Konduksi
3,20 eV3 eV
Rutile Anatase
Elektron berpindah dari pita konduksi rutile ke pita konduksi anatase
Rutile digunakan sebagai pengumpul elektron dan menghamburan (scattring) elektron
19
Porositas
Semakin besar nilai Porositas, semakin besar arus dan tegangan yang dihasilkan (0,41)
20
Semikonduktor
21
JCPDS 21-1272
22
JCPDS 21-1276
23
Diagraam fasa
24
Pengaruh Suhu dan Waktu Terhadap Komposisi
200oC (5jam) 300oC (5jam) 400oC (4jam)
Fase Anatase Rutile Anatase Rutile Anatase Rutile
Komposisi
fase (%)69.41 30.59 82.60 17.55 94.68 5.32
400 oC (5jam) 1000oC (7jam)
Fase Anatase Rutile Anatase Rutile
Komposisi
fase (%)99,75 0,25 0.68 99.32
Ketika dipanaskan pada suhu dibawah 900 oC , fase anatase yang terbentuk dalam jumlah yang banyak
25
][][][[%] 2
2
−
−
×××
=cmWPnme
cmAJhcIPCEcahaya
SC
µλµ
][][610,1][3106210,6[%] 219
2834
−−
−−
××××
=cmWPnm
cmAJIPCEcahaya
SC
µλµ
][][][310).(410,12[%] 2
287
−
−−
×××
=cmWPnm
cmAJmeVIPCEcahaya
SC
µλµ
][][][).(1240[%] 2
2
−
−
××
=cmWPnm
cmAJnmeVIPCEcahaya
SC
µλµ
Dimana h adalah Konstanta Plank (6,62x10-34 Js), c adalah kecepatan cahaya ( 3x108 m/s) dan e adalah Muatan elektron (1,6 10-19).
Perhitungan 1240
26
27
Teknik ini berusaha untuk mendeposisikanTiO2 pada permukaan yang lebih lebarmenggunakan alat yang disebutelectrospinning. Electrospinning terdiri darijarum suntik yang mengandung bahan yangakan disimpan dan mounting plate yangmenjadi target yang akan dilapisi. Targetdan jarum suntik yang terhubung ke sumbertegangan yang akan menciptakanelectropotential. Perbedaan antara alatsuntik dan mounting plate di kisaran 1000volt. Ketika cairan di dalam jarum suntiksecara perlahan dipompa keluar, solusi akanmendorong dengan kecepatan tinggimenuju target karena adanya medan listrik.
ELECTROSPINNING
28
Teknik terakhir yang menghasilkan hasil yang paling konsisten adalahvariasi dari proses deposisi yang telah digunakan sebelumnya. Teknik initerdiri dari lukisan permukaan substrat konduktif dengan menggunakansikat udara. Perangkat cold spraying terdiri dari pistol penyemprotandengan nozzle yang berfungsi untuk menembakkan TiO2 pada substrat,yang didorong dengan udara terkompresi sehingga jumlah udara yangdatang dari nozzle dapat dikontrol sehingga laju aliran dapat stabil.
Sebuah faktor penting untuk dipertimbangkan adalah rasio dari pelarut(misalnya 2-propanol) dengan TiO2 . Pelarut yang terdapat dalam larutanakan menguap dalam perjalanan menuju target. Oleh karena itu, jumlahpelarut dalam larutan TiO2 harus lebih banyak dibandingkan dengan teknikDoctor-blade, dalam rangka menghindari gumpalan partikel
COLD SPRAYING
29