Preparasi Lapisan Tipis ZnO Dengan Metode …...Preparasi Lapisan Tipis ZnO Dengan Metode Elektrodeposisi Untuk Aplikasi Solar Cell Perlunya energi alternatif pengganti energi konvensional,

Oleh:

Hanif Mubarok 2310100049

Yusuf Hasan Habibie 2310100137

Pembimbing :

Ir. Minta Yuwana, MS.

Prof. Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng

Preparasi Lapisan Tipis ZnO Dengan Metode Elektrodeposisi Untuk Aplikasi Solar Cell

Perlunya energi alternatif pengganti energi konvensional, Solar cell adalah salah satu energi alternatif yang berkembang.

Solar cell di pasaran terbuat dari silicon memiliki harga mahal, sehingga belum digunakan secara massal.

Penelitian menunjukkan bahwa zinc oxide/tetrasulfonated copper phthalocyanine (ZnO/TSPcCu) bisa digunakan sebagai material pembuatan solar cell (Xinze Luo, dkk)

Perlunya material alternatif pengganti silikon untuk pembuatan solar cell.

Penumbuhan lapisan tipis ZnO tidak terjadi pada suhu dibawah 34oC dengan nilai optimum transparansi lapisan dan kristalinity didapat diatas suhu 34oC (A.Goux, dkk)

LATAR BELAKANG LATAR BELAKANG

Metode pembuatan lapisan ZnO seringkali masih menggunakan suhu dan tekanan tinggi, hal ini menyebabkan biaya produksi masih mahal

Perlunya mengembangkan proses yang mudah, sederhana dan biaya operasi yang murah.

Maka penelitian ini mencoba menggunakan metode elektrodeposisi suhu ruang untuk pembuatan lapisan tipis ZnO sebagai pembuatan solar cell

Lapisan tipis ZnO dapat dibuat dengan metode elektrodeposisi pada suhu ruang dengan menjenuhkan larutan elektrolit dengan oksigen (Pauporte, dkk)

Dengan mempelajari pengaruh flowrate oksigen dan tegangan yang diberikan dan pentesan ekstrak strawberi pada aplikasi Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)

Mempelajari pengaruh flowrate oksigen dan tegangan konstan terhadap konduktivitas, morfologi lapisan ZnO

yang terbentuk dan efisiensi solar cell.

Mengevaluasi pengaruh flowrate oksigen dan tegangan konstan terhadap konduktivitas, morfologi lapisan ZnO

yang terbentuk dan efisiensi solar cell.

Tujuan Penelitian

1. Mengetahui flowrate oksigen dan tegangan konstan yang baik dalam pembuatan lapisan ZnO

2. Memperoleh ZnO dengan lapisan yang homogen.

Manfaat Penelitian

Metodologi Mencuci elektroda dalam ultrasonic bath,

aceton, etanol, dan 45% asam nitrat

Media Klorida 5mM ZnCl2 + 0,1 M KCl

Menggelembungkan oksigen selama 20 menit

Melakukan Elektrodeposisi selama 2 jam

Uji karakterisasi lapisan ZnO yang terbentuk

Penetesan dengan ekstrak buah strawberi pada

permukaan elektroda untuk membentuk DSSC

Reaksi pembentukan ZnO pada proses elektrodeposisi ZnCl2 → Zn2+ + 2Cl- Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2 Zn(OH)2 → ZnO + H2O

Potensiostat

Oksigen

Working

Electrode

(ITO

Glass/Cu)

Counter Electrode

(Platina)

Reference Electrode

(Ag/AgCl)

ZnCl2 + KCl

Metodologi

E= -1V vs Ag/AgCl

Flowrate oksigen

0,5 ; 1 ; 1,5 ; 2 l/min

Autolab

Komposisi fasa dan struktur partikel yang diperoleh diamati dengan Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDAX).

Morfologi lapisan yang terbentuk diamati Scanning Electron Microscopy (SEM).

Kurva DC arus-tegangan dianalisa dengan LED Driver

Konduktivitas lapisan ZnO secara chronoampero (kurva arus vs waktu) dapat dianalisa dengan AUTOLAB 302N

Karakterisasi Produk

Nilai hambatan listrik yang terbentuk dianalisis dengan menggunakan resistivity test 4 probe

Data Chronoampero dengan tegangan -1V vs Ag/AgCl pada berbagai flowrate oksigen (a) pada elektroda Cu ; (b) pada elektroda Indium Tin Oxide (ITO) glass

Hasil Penelitian

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

-0,0060

-0,0055

-0,0050

-0,0045

-0,0040

-0,0035

-0,0030

-0,0025

-0,0020

-0,0015

-0,0010

-0,0005

Am

pe

re

t(s)

rate 2 l/min

rate 1.5 l/min

rate 1 l/min

rate 0.5 l/min

(b) (a)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

-0,0024

-0,0022

-0,0020

-0,0018

-0,0016

-0,0014

-0,0012

-0,0010

-0,0008

-0,0006

-0,0004

-0,0002

0,0000

Am

pe

re

t(s)

rate 2 l/min

rate 1,5 l/min

rate 1 l/min

rate 0,5 l/min

Zn(OH)2

sebagai

lapisan

awal

ZnO inti

Crystal

ZnO nano

1 2

3 4

Mekanisme pembentukan ZnO: 1. Pembentukan Zn(OH)2 sebagai lapisan awal dengan konduktivitas rendah 2. Saat konsentrasi O2 cukup dan setelah periode induksi, mulailah terbentuk inti ZnO 3. Munculnya ZnO menyebabkan peningkatan arus sehingga ZnO dihasilkan oleh

elektropresipitasi 4. Lapisan awal tumbuh dengan progresif menjadi ZnO dengan pembentukan

nanokristal

Mekanisme Pembentukan ZnO

(a) Elektroda Cu sebelum elektrodeposisi (b) Elektroda Cu setelah elektrodeposisi

Hasil Penelitian

(b) (a)

Elektroda Cu (a) sebelum elektrodeposis (b) rate oksigen 0,5 l/min (c) rate

oksigen 1 l/min (d) rate oksigen 1,5 l/min (e) rate oksigen 2 l/min

(a) (b) (c) (d) (e)

(a) ITO glass sebelum elektrodeposisi (b) ITO glass setelah elektrodeposisi

Hasil Penelitian

(b) (a)

ITO glass (a) sebelum elektrodeposisi (b) rate oksigen 0,5 l/min

(c) rate oksigen 1 l/min (d) rate oksigen 1,5 l/min (e) rate oksigen 2 l/min

(a) (b) (c) (d) (e)

Hasil EDX untuk Cu (a) rate 0,5 l/min (b) rate 1 l/min (c) rate 1,5 l/min (d) rate 2 l/min

Hasil Penelitian (b) (a)

(c) (d)

(c) (d)

Pencitraan SEM untuk Cu (a) rate 0,5 l/min (b) rate 1 l/min (c) rate 1,5 l/min (d) rate 2 l/min

Hasil Penelitian (b) (a)

A

V

Ampere = 0,1 A (untuk Cu)

= 0,003 A (untuk ITO)

Area = 2.5 x 2,5 cm

Power Supply

L L L

Multimeter

Skema Resistivity Test

Hasil Penelitian

SAMPEL Rave (m)

Cu awal 4,16 x 10-6

Cu flowrate 0,5 l/min 5,11 x 10-6

Cu flowrate 1 l/min 5,29 x 10-6

Cu flowrate 1,5 l/min 4,5 x 10-6

Cu flowrate 2 l/min 2,65 x 10-6

SAMPEL Rave (m)

ITO awal 62,5

ITO flowrate 0,5 l/min 6,06

ITO flowrate 1 l/min 4,92

ITO flowrate 1,5 l/min 4,29

ITO flowrate 2 l/min 3,97

(a) (b)

Data resistivity test dengan beragam flowrate oksigen pada (a) elektroda Cu dengan menentukan arus sebesar 0,1 A ; (b) ITO glass dengan menentukan arus sebesar 0,003 A

(a) ITO glass sebelum elektrodeposisi ; (b) ITO glass setelah elektrodeposisi

(c) ITO glass setelah penetesan ekstrak strawberi

Hasil Penelitian

(b) (a)

Lapisan ZnO-ekstrak strawberi di DSSC (a) rate oksigen 0,5 l/min (b) rate oksigen 1 l/min (c) rate oksigen 1,5 l/min (d) rate oksigen 2 l/min

(a) (b) (c) (d)

(c)

AUTOLAB

LED driver

Komputer

Skema LSVP (Linear Sweep Voltametry Potensiostatic)

Hasil Penelitian

Kurva arus vs tegangan dengan intensitas cahaya 7,59 mW/cm2 pada lapisan ZnO-Ekstrak strawberi di DSSC

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025C

urr

en

t (A

)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 0,5 l/min

DSSC 1 l/min

DSSC 1,5 l/min

DSSC 2 l/min

Hasil Penelitian

Perbedaan kurva I vs V antara ITO glass dengan DSSC (a) rate 0,5 l/min (b) rate 1/min (c) rate 1,5 l/min (d) rate 2 l/min

(a) (b)

(d) (c)

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

Cu

rre

nt (A

)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 0,5 l/min

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

Cu

rre

nt (A

)

Voltase (V)

ITO Awal

DSSC 1 l/min

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

Cu

rre

nt (A

)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 1,5 l/min

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

Cu

rre

nt

(A)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 2 l/min

Hasil Penelitian

Kurva P vs E pada DSSC pada berbagai instensitas cahaya (a) ITO awal (b) rate 0,5 l/min (c) rate 1/min (d) rate 1,5 l/min (e) rate 2 l/min

(a)

(e) (d)

(b) (c)

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,0001

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

Cu

rre

nt

(A)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,69 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

0,00030

0,00035

Cu

rre

nt

(A)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

Cu

rre

nt (A

)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

0,00030

0,00035

Cu

rre

nt

(A)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00010

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

0,00030

0,00035

Cu

rre

nt

(A)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

Kurva power vs tegangan dengan intensitas cahaya 7,59 mW/cm2 pada lapisan ZnO-Ekstrak strawberi di DSSC

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00003

-0,00002

-0,00001

0,00000

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

0,00006

0,00007

0,00008

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

DSSC 2 l/min

DSSC 1,5 l/min

DSSC 1 l/min

DSSC 0,5 l/min

ITO awal

Perbedaan kurva P vs V antara ITO glass dengan DSSC (a) rate 0,5 l/min (b) rate 1/min (c) rate 1,5 l/min (d) rate 2 l/min

(a) (b)

(c)

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008P

ow

er

(W)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 0,5 l/min

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 1 l/min

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 1,5 l/min

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

ITO awal

DSSC 2 l/min

(d)

(c)

Kurva P vs E pada DSSC pada berbagai instensitas cahaya (a) ITO awal (b) rate 0,5 l/min (c) rate 1/min (d) rate 1,5 l/min (e) rate 2 l/min

(a)

(e) (d)

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

0,00010

0,00012

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

0,00010

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

0,00010

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

(b)

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00004

-0,00002

0,00000

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

0,00010

Po

we

r (W

)

Voltase (V)

13 mW/cm2

11,07 mW/cm2

9,31 mW/cm2

7,59 mW/cm2

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

-0,00005

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

kurva I-V

kurva P-V

Voltase (V)

Am

pe

re (

A)

-0,00002

-0,00001

0,00000

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

0,00006

Po

we

r (W)

Isc

Voc

MPP

Isc (Short-circuit current) : arus listrik cell yang diukur pada saat tegangan 0 V Voc (Open-circuit voltage): tegangan listrik cell yang diukur saat arus 0 A MPP(Max Power Point) : Titik ketika power maximum dihasilkan % FF( Fill Factor) : rasio maximum power cell terhadap nilai Voc dan Isc

η (Efficiency) : rasio power terhadap intensitas cahaya

Sampel %FF average

ITO 70,08

DSSC rate 0,5 l/min 70,09

DSSC rate 1 l/min 70,55



Hasil Penelitian

Hasil perhitungan % Fill Factor (%FF) rata rata pada berbagai flowrate oksigen

Efisiensi DSSC pada berbagai flowrate oksigen terhadap intensitas cahaya

Sampel Efisiensi rata-rata

ITO 0,146





Hasil Penelitian

1. Telah terbentuk lapisan ZnO pada elektroda tembaga dan ITO glass dengan metode elektrodeposisi.

2. Pada elektroda tembaga nilai hambatan listrik terkecil yaitu 2,65 x 10-6

m terjadi pada penggelembungan oksigen dengan flowrate 2 l/min. Pada elektroda ITO glass nilai hambatan listrik terkecil yaitu 3,97 m terjadi pada penggelembungan oksigen dengan flowrate 2 l/min.

3. Morfologi lapisan ZnO yang terbentuk berukuran mikrometer dan belum ratanya lapisan ZnO.

4. Arus listrik yang dihasilkan pada lapisan ZnO pada ITO glass memiliki nilai terbesar pada keadaan awal, sedangkan setelah dielektrodeposisi, sesuai dengan peningkatan flowrate nilai arus listrik cenderung semakin kecil.

5. Semakin tinggi intensitas cahaya yang dipancarkan pada DSSC, maka arus listrik yang didapatkan semakin besar sehingga power yang dihasilkan juga semakin besar.

6. Efisiensi DSSC yang didapatkan masih kecil, untuk nilai efisiensi terbesar pada DSSC 1,5 l/min yaitu 0,133.

Kesimpulan

TERIMA KASIH

Sampel Effiensi rata

rata

ITO 7,05





Efisiensi rata rata DSSC pada berbagai flowrate oksigen

terhadap intensitas cahaya

Intensitas

Cahaya (W/cm2) %eff

7,59 0,16

9,31 0,15

11,07 0,14

13 0,13

efisiensi rata

rata 0,146

Intensitas

Cahaya (W/cm2) %eff

7,59 0,14

9,31 0,13

11,07 0,12

13 0,12

efisiensi rata

rata 0,129

Intensitas

Cahaya (W/cm2) %eff

7,59 0,11

9,31 0,1

11,07 0,09

13 0,09

efisiensi rata

rata 0,098

Intensitas

Cahaya (W/cm2) %eff

7,59 0,15

9,31 0,14

11,07 0,13

13 0,12

efisiensi rata

rata 0,13

Intensitas

Cahaya (W/cm2) %eff

7,59 0,13

9,31 0,12

11,07 0,11

13 0,11

efisiensi rata

rata 0,12

ITO DSSC rate 0,5 l/min DSSC rate 1 l/min

DSSC rate 1,5 l/min DSSC rate 2 l/min

Efisiensi DSSC pada berbagai flowrate oksigen terhadap intensitas cahaya

Intensitas

Cahaya (W/cm2) %FF

7,59 70,35

9,31 70,19

11,07 70,01

13 69,78

efisiensi rata

rata 70,08

Intensitas

Cahaya (W/cm2) % FF

7,59 70,32

9,31 70,21

11,07 70,01

13 69,83

efisiensi rata

rata 70,09

Intensitas

Cahaya (W/cm2) % FF

7,59 70,79

9,31 70,60

11,07 70,49

13 70,32

efisiensi rata

rata 70,55

Intensitas

Cahaya (W/cm2) % FF

7,59 70,23

9,31 70,13

11,07 69,96

13 69,80

efisiensi rata

rata 70,03

Intensitas

Cahaya (W/cm2) % FF

7,59 70,54

9,31 70,41

11,07 70,26

13 70,06

efisiensi rata

rata 70,32

ITO DSSC rate 0,5 l/min DSSC rate 1 l/min

DSSC rate 1,5 l/min DSSC rate 2 l/min

%FF DSSC pada berbagai flowrate oksigen terhadap intensitas cahaya

7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

3

4

5

6

7

8

% E

ffic

ien

cy

Intensitas Cahaya (mW/cm2)

% Efficiency ITO

7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

3

4

5

6

7

% E

ffic

ien

cy


% Efficiency DSSC 0,5 l/min

7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

3

4

5

% E

ffic

ien

cy


% Efficiency 1 l/min

7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

3

4

5

6

7

% E

ffic

ien

cy


% Efficiency

7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

3

4

5

6

% E

ffic

ien

cy


% Efficiency

7 8 9 10 11 12 13

0

10

20

30

40

50

60

70

%F

ill F

acto

r


% FF ITO

7 8 9 10 11 12 13

0

10

20

30

40

50

60

70

% F

ill F

acto

r


% FF DSSC 0,5 l/min

7 8 9 10 11 12 13

0

10

20

30

40

50

60

70

% F

ill F

act

or


% FF DSSC 1,5 l/min

7 8 9 10 11 12 13

0

10

20

30

40

50

60

70

% F

ill F

act

or


% FF DSSC 1 l/min

7 8 9 10 11 12 13

0

10

20

30

40

50

60

70

% F

ill F

act

or


% FF DSSC 2 l/min

5 mM ZnCl2 + 0,1 M KCl dalam 1000 mL

ZnCl2 :

Mol = M x V

= 0,005 M x 1000 mL

= 5 mmol

Massa = mol x BM

= 5 mmol x 136,3 mg/mmol

= 681,5 mg = 0,6815 g

KCl :

Mol = M x V

= 0,1 M x 1000 mL

= 100 mmol

Massa = mol x BM

= 100 mmol x 74,5 mg/mmol

= 7450 mg = 7,45 g

0 l/min 0,5 l/min 1 l/min 1,5 l/min 2 l/min Element Wt% At% Element Wt% At% Element Wt% At% Eleme

nt

Wt% At% Eleme

nt

Wt% At%

O 4,5 15,75 O 7,41 23,93 O 22,04 50,16 O 13,48 38,02 O 16,62 41,73

S 0 0 S 0 0 S 5,17 5,88 S 0 0 S 0 0

Cl 0 0 Cl 1,3 1,9 Cl 3,53 3,63 Cl 1,77 2,25 Cl 6,71 7,6

K 0 0 K 0 0 K 4,15 3,86 K 0 0 K 5,78 5,94

Fe 0 0 Fe 0 0 Fe 0 0 Fe 0 0 Fe 4,15 2,98

Cu 95,5 84,25 Cu 88,13 71,67 Cu 12,98 7,44 Cu 60,09 42,69 Cu 42,24 26,7

Zn 0 0 Zn 3,15 2,49 Zn 52,13 29,04 Zn 24,66 17,03 Zn 24,5 15,05

Preparasi Lapisan Tipis ZnO Dengan Metode …...Preparasi Lapisan Tipis ZnO Dengan Metode Elektrodeposisi Untuk Aplikasi Solar Cell Perlunya energi alternatif pengganti energi konvensional,

Documents