1. TiO2 Nanostruktur sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitisasi Zat Warna Alam (Natural Dye-Sensitized Solar Cell, nDSSC )
Dr. Indriana Kartini
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

2. Teknologi sel surya dewasa ini
Generasi I: berbasis silikon (c-Si, a-Si, poli-Si)
2. Generasi II: lapis tipis material semikonduktor (GaAs, CdTe, CuInSe2 )
3. Generasi III: dye-sensitised solar cell (DSSC, sel surya fotoelektrokimia)
4. Generasi IV: quantum-dot (PbS, PbSe, CdS, CdSe)
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013
Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6,

3. Perbandingan teknologi fotovoltaik (PV)
main technologies available: single & multi- crystalline Si, a-Si, CuInSe2, CdTe
World PV module production in 2003
Bulk cystalline Si remains dominant
Different technology comparison in efficiency & cost

4. M. Grätzel, “Photoelectrochemical cells,” Nature, 414, 338 (2001)
Sel Surya Tipe DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) sangat prospektif untuk dikembangkan sebagai model sel surya masa depan

5. Keunggulan DSSC Mudah diproduksi
Unjuk kerja energi listrik lebih tinggi
Mempunyai konfigurasi dua muka – menguntungkan saat cahaya terhamburkan
Warna sel dapat divariasi (tergantung warna sensitiser)
Dapat digunakan untuk power window (kaca transparan)
Aisi, Seiki, Toyota R&D

6. Building integrated Series connected 64 DSC cells
Silicon Façade System
at the University of Melbourne, Australia
DSC Façade System
at the CSIRO Energy Centre Newcastle, Australia

7. Di Indonesia ?

8. Dye-Sensitized Solar Cells
Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6,
Published in: Hiroshi Imahori and Tomokazu Umeyama; J. Phys. Chem. C  2009, 113 (21). DOI: /jp , Copyright © 2009 American Chemical Society

9. pola radiasi matahari
Spectra matching REM dengan radiasi matahari

10. From Nature to learn Photosynthesis (Energy Production from Nature)
Artificial Photosynthesis (Energy from Nature)
Workshop Advanced Material 1
14-15 Oktober 2009  2009

11. Artificial Photosynthesis
Metode konversi energi surya yang menerapkan aspek-aspek strategi atau desain alam atau bahan alam atau semua aspek tersebut
Strategi
Bahan Alam
Fotoinduksi transfer elektron via membran
Zat warna klorofil
Mediator transfer elektron
Bagaimana ?

12. Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

13. Image found at http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell
Basic DSSC Layers:
Kaca konduktif (Glass coated with fluorine-doped tin oxide, FTO/ITO)
Titanium dioxide layer (n-type semiconductor)
Ruthenium dye
Electrolyte solution
Kaca konduktif berlapis platinum
Image found at

14. Image from Ind riana Kartini PhD thesis, 2004
DSSC: prinsip kerja
TiO2: anatase Eg = 3.2 eV; rutile Eg = 3.05 eV hn e- - 1 2 7 8 3 5
desired pathway
Semiconductor
oxide
Dye
Redox couples
Counter electrode e
External load 4 D*
D/D+
I-/I-3 9 VB CB EF
ERedox
E vs vacuum
(eV)
-7.0
-5.6
-5.0
-3.8
TCO
Pt/TCO 6
recombination pathways
Image from Ind riana Kartini PhD thesis, 2004

15. dynamic competition who is the winner ? electron transpor
loss mechanism
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

16. Dye-sensitized solar cells (DSSCs)
fotokatoda
Komponen
Material Transfer Hole
bahan semikonduktor tipe-p
elektrolit redoks (I3- /I-)
polimer konduktif
Zat warna
kompleks ruthenium (bipy)3
porfirin
antosianin
dye molecules
fotoanoda
Komponen
Material Transfer Elektron
bahan semikonduktor tipe-n
TiO2 nanopartikulat

17. DSSC: Evaluasi Unjuk kerja
Parameter Sel Surya:
Kurva I-V
Open-circuit Voltage, VOC
Short-circuit current, ISC
Fill factor, FF
FF = (Imax Vmax)/(ISC VOC)
h = (ISC VOC FF)/Pinput
Benchmark: Efisiensi global 10%, semikonduktor= titania koloid, sensitiser = Ru”black-dye”, FF=0.704, VOC=0.72V, ISC=20.53 mA/cm2, Pmax=1.94 mW, luas bagian aktif= cm2 (J. Am. Chem.Soc. 2001, 123, 1613)
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

18. Grätzel Cell Output optimum Short circuit current, ISC ~ 20 mA/cm2
Open circuit voltage, VOC ~ 0,7 V
Quantum yield ~ 1
Efisiensi konversi ~ 11%
dye: kompleks Ruthenium
!!! Komponen zat warna : logam toksik

19. Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

20. Natural DSSCs Output optimum Short circuit current, JSC ~ 1,83 mA/cm2
Open circuit voltage, VOC ~ 0,65 V
Efisiensi konversi ~ 0,68%
HOMO
phorphyrin
Rekayasa fotoanoda  berstruktur nano
Rekayasa natural dyes  co-sensitisasi, surface
LUMO
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

21. Sensitiser
Syarat :
be panchromatic, i.e. absorb visible light of all colors, high extinction coefficient.
be firmly grafted to the semiconductor oxide surface and inject electrons into the conduction band with a quantum yield of unity.
possess suitable ground- and excited state redox properties (0.5 and -0.8 V vs.SCE)
exhibit thermal and photochemical stability
environmentally friendly
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

22. Natural dyes : zat warna batik
VOC ~95 mV
ISC ~0,4 A
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

23. Natural dyes : klorofil alga
VOC ~60 mV
ISC ~0,14 A
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

24. TiO2 solar cell (with anthocyanin dye extracted from hard pericarp of mangosteen fruit)
Generating Current = 0,025 µA
Generating Voltage = 100 mV
Kartini et al., Asian J. Chem., 22(6), 2010,

25. Fotoanoda
Syarat:
Berpori dan Luas permukaan besar  adsorpsi monolayer zat warna efisien
Tersusun atas fasa kristalin  fotoaktif, efisien band gap
Partikel berdimensi dan berstruktur nano  efisien transpor elektron
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

26. nanoparticles nanowires nanotubes hybrid aggregates efisiensi ~ 10-11%
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

27. Thermally synthesized titania
SBET ~161 m2/g
D101(A) ~5,3 nm
Low crystallinity
VOC ~22 mV
ISC ~1,1 A
Dye tegeran
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013
Widiyanti A., Triyana, K., Kartini, I, 2007

28. Mesoporous titania a VOC ~450 mV ISC ~ 0,1 mA Dye Ru-N3 b a a b
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013
Kartini et al., J. Mater. Chem.,  2004,  14,  2917

29. Mesoporous titania VOC ~700 mV ISC ~ 12 mA Dye Ru-N3
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013
Indriana Kartini , a PhD Thesis, The University of Queensland, Brisbane, 2004

30. Route to TiO2 nanotubes Substrat kaca terlapis seed layer ZnO
Preparasi cetakan ZnO nanorod
Metode : hidrotermal pada 110 oC, t = 20 menit
Prekursor : seng nitrat dan NaOH
Lapis tipis ZnO nanorod
Karakterisasi : XRD, SEM ,TEM dan Spektrofotometer UV-Vis
Teknik deposisi fasa cair
Prekursor : TiO2 P25
Teknik sol-gel
Prekursor : TTIP
Variasi frekuensi pencelupan
Deposisi TiO2
Lapis tipis TiO2 nanotube
Karakterisasi : XRD, SEM , TEM dan Spektrofotometer UV-Vis
Zat warna ekstrak kulit manggis
Lapis tipis TiO2 nanotube tersensitisasi zat warna
Konstruksi sel surya
Elektrolit
Elektroda lawan
DSSC
Karakterisasi : Spektrofotometer UV- Vis dan I-V sel surya

31. Sintesis lapis tipis ZnO nanorod
Tahap I: Preparasi ZnO seed layer
Deposisi seed layer
Pemanasan
0,01 M
Zn(CH3COO)2.2H2O
dalam etanol
130 oC, 2 jam
180 oC, 1 jam
260 oC, 2 jam
Substrat kaca
Kaca terlapis seed layer ZnO
Tahap II: Preparasi ZnO nanorod
Proses
hidrotermal
Pencucian
110 oC
20 menit
Kaca terlapis seed layer ZnO
0,03 M Zn (NO3)2. 4H2O ) + 0,8 NaOH dalam akuabides
Lapis Tipis
ZnO nanorod berorientasi vertikal

32. Lapis Tipis TiO2 nanotube
Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik deposisi fasa cair
Pendeposisian
T kamar
2 jam
0,38 M TiO2 P25
dalam HF 5 %
Lapis Tipis
ZnO-TiO2
Lapis Tipis
ZnO nanorod
Pelarutan
kalsinasi
1 jam
550 oC
1 jam
Lapis Tipis
ZnO - TiO2
Lapis Tipis TiO2 nanotube
H3BO3 0,5 M

33. Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik sol-gel
Tahap I: Preparasi TiO2 sol

34. Lapis Tipis TiO2 nanotube
Variasi frekuensi pencelupan
Tahap II: Preparasi TiO2 nanotube
dip coating
Pendeposisian
Pemanasan
100 oC
10 menit
Lapis Tipis
ZnO nanorod
Lapis Tipis
ZnO -TiO2
TiO2 sol
Pelarutan
kalsinasi
550 oC
1 jam
HCl 3 % (v/v)
5 detik
Lapis Tipis
ZnO -TiO2
Lapis Tipis TiO2 nanotube

35. Titania nanoparticle-nanotube
100 nm
VOC ~450 mV
ISC ~ 0,125 mA
Dye antosianin manggis
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013
Evana & Kartini, a master Thesis, 2013

36. Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

37. Sistem nDSSC  densitas listrik rendah – sedang
Kesimpulan
Sistem nDSSC  densitas listrik rendah – sedang
Unjuk kerja nDSSC dapat ditingkatkan dengan :
Optimasi komposisi zat warna alam
Optimasi struktur nano semikonduktor fotoanoda
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

38. Terima kasih atas hibah riset:
Kementerian Riset dan Teknologi Indonesia 2005 (RUT XII)
IFS (International Foundation for Science, Sweden) ,
UGM Award 2006, ITSF (Indonesia Toray Science Foundation) 2009
DP2M Dikti (Hibah Bersaing , Hibah Kompetensi )
Terima kasih yang tak terhingga juga untuk segenap mahasiswa yang berdedikasi: studi S1 (Septina, Ma’ruf, Anis, Ismu, Erma, Zul, Sri, Evana, Nadia, Isti, Cahyani, Intan, Fathah, Anton, Susilo, Canggih, Wuri, Fenny, Faizatun),
studi S2 (Annissa, Tri Sejati, Ari, Wuri, Evana, Irfan) dan
studi S3 (Sayekti, Cahyorini) serta
counterpart (Dr. Ir. Akhmad Herman Yuwono (UI); Dr. Kuwat Triyana, Dra Chotimah, MSi. (Fisika UGM); Dr. Tutik D. Wahyuningsih, Dr.Tri J Raharjo, Dr. Yateman Arryanto, Dr. Respati TS (Kimia UGM)
yang telah mendukung pelaksanaan penelitian DSSC sejak 2005 sampai sekarang.
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013

39. Terima kasih Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013