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)
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
DSSC rate 1,5 l/min 70,03
DSSC rate 2 l/min 70,32
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
DSSC rate 0,5 l/min 0,129
DSSC rate 1 l/min 0,098
DSSC rate 1,5 l/min 0,133
DSSC rate 2 l/min 0,115
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
Sampel Effiensi rata
rata
ITO 7,05
DSSC rate 0,5 l/min 6,22
DSSC rate 1 l/min 4,73
DSSC rate 1,5 l/min 6,42
DSSC rate 2 l/min 5,55
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
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% Efficiency DSSC 0,5 l/min
7 8 9 10 11 12 13
0
1
2
3
4
5
% E
ffic
ien
cy
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% Efficiency 1 l/min
7 8 9 10 11 12 13
0
1
2
3
4
5
6
7
% E
ffic
ien
cy
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% Efficiency
7 8 9 10 11 12 13
0
1
2
3
4
5
6
% E
ffic
ien
cy
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% Efficiency
7 8 9 10 11 12 13
0
10
20
30
40
50
60
70
%F
ill F
acto
r
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% FF ITO
7 8 9 10 11 12 13
0
10
20
30
40
50
60
70
% F
ill F
acto
r
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% 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
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% 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
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% 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
Intensitas Cahaya (mW/cm2)
% 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