Presentation is loading. Please wait.

Presentation is loading. Please wait.

TiO 2 Nanostruktur sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitisasi Zat Warna Alam (Natural Dye-Sensitized Solar Cell, nDSSC ) Dr. Indriana Kartini Seminar Nasional.

Similar presentations


Presentation on theme: "TiO 2 Nanostruktur sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitisasi Zat Warna Alam (Natural Dye-Sensitized Solar Cell, nDSSC ) Dr. Indriana Kartini Seminar Nasional."— Presentation transcript:

1 TiO 2 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 1.Generasi I: berbasis silikon (c-Si, a-Si, poli-Si) 3. Generasi III: dye-sensitised solar cell (DSSC, sel surya fotoelektrokimia) 2. Generasi II: lapis tipis material semikonduktor (GaAs, CdTe, CuInSe 2 ) 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)  Bulk cystalline Si remains dominant  Different technology comparison in efficiency & cost World PV module production in 2003  main technologies available: single & multi- crystalline Si, a-Si, CuInSe 2, CdTe 

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

7

8 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 Workshop Advanced Material Oktober 2009  2009 From Nature to learn Photosynthesis (Energy Production from Nature) Artificial Photosynthesis (Energy from Nature)

11 Artificial Photosynthesis Metode konversi energi surya yang menerapkan aspek- aspek strategi atau desain alam atau bahan alam atau semua aspek tersebut StrategiBahan 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 Basic DSSC Layers: 1.Kaca konduktif (Glass coated with fluorine-doped tin oxide, FTO/ITO) 2.Titanium dioxide layer (n-type semiconductor) 3.Ruthenium dye 4.Electrolyte solution 5.Kaca konduktif berlapis platinum

14 DSSC: prinsip kerja h e-e desired pathway Semiconductor oxide DyeRedox couplesCounter electrode e - e - External load 4 D* D/D + I - /I VB CB EFEF E Redox e-e- E vs vacuum (eV) TCO Pt/TCO recombination pathways TiO 2 : anatase E g = 3.2 eV; rutile E g = 3.05 eV Image from Ind riana Kartini PhD thesis, 2004

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

16 Komponen –Material Transfer Elektron bahan semikonduktor tipe-n TiO 2 nanopartikulat Komponen –Material Transfer Hole bahan semikonduktor tipe-p elektrolit redoks (I 3 - /I - ) polimer konduktif –Zat warna kompleks ruthenium (bipy) 3 porfirin antosianin Dye-sensitized solar cells (DSSCs) dye molecules fotoanoda fotokatoda

17 Kurva I-V Parameter Sel Surya: 1.Open-circuit Voltage, V OC 2.Short-circuit current, I SC 3.Fill factor, FF FF = (I max V max )/(I SC V OC )  = (I SC V OC FF)/P input DSSC: Evaluasi Unjuk kerja Benchmark: Efisiensi global 10%, semikonduktor= titania koloid, sensitiser = Ru”black-dye”, FF=0.704, V OC =0.72V, I SC =20.53 mA/cm 2, P max =1.94 mW, luas bagian aktif= cm 2 (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, I SC ~ 20 mA/cm 2 –Open circuit voltage, V OC ~ 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, J SC ~ 1,83 mA/cm 2 –Open circuit voltage, V OC ~ 0,65 V –Efisiensi konversi ~ 0,68% HOMO LUMO phorphyrin Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  Rekayasa fotoanoda  berstruktur nano 2.Rekayasa natural dyes  co-sensitisasi, surface

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 Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  2013 V OC ~95 mV I SC ~0,4  A

23 Natural dyes : klorofil alga Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  2013 V OC ~60 mV I SC ~0,14  A

24 TiO 2 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: 1.Berpori dan Luas permukaan besar  adsorpsi monolayer zat warna efisien 2.Tersusun atas fasa kristalin  fotoaktif, efisien band gap 3.Partikel berdimensi dan berstruktur nano  efisien transpor elektron Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  2013

26 Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  2013 nanoparticlesnanowiresnanotubeshybridaggregates efisiensi ~ 10-11%

27 Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  2013 Thermally synthesized titania V OC ~22 mV I SC ~1,1  A Dye tegeran Widiyanti A., Triyana, K., Kartini, I, 2007 S BET ~161 m 2 /g D 101(A) ~5,3 nm Low crystallinity

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

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

30 Route to TiO 2 nanotubes Lapis tipis ZnO nanorod Metode : hidrotermal pada 110 o C, t = 20 menit Prekursor : seng nitrat dan NaOH Substrat kaca terlapis seed layer ZnO Lapis tipis TiO 2 nanotube Karakterisasi : XRD, SEM, TEM dan Spektrofotometer UV-Vis Teknik deposisi fasa cair Prekursor : TiO 2 P25 Teknik sol-gel Prekursor : TTIP Variasi frekuensi pencelupan Lapis tipis TiO 2 nanotube tersensitisasi zat warna Karakterisasi : Spektrofotometer UV- Vis dan I-V sel surya Preparasi cetakan ZnO nanorod Deposisi TiO 2 Konstruksi sel surya Zat warna ekstrak kulit manggis DSSC ElektrolitElektroda lawan

31 Substrat kaca Pemanasan 130 o C, 2 jam 180 o C, 1 jam 260 o C, 2 jam Proses hidrotermal 110 o C 20 menit Kaca terlapis seed layer ZnO Deposisi seed layer 0,01 M Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O dalam etanol Kaca terlapis seed layer ZnO Lapis Tipis ZnO nanorod berorientasi vertikal Tahap I: Preparasi ZnO seed layer Tahap II: Preparasi ZnO nanorod  Sintesis lapis tipis ZnO nanorod Pencucian 0,03 M Zn (NO 3 ) 2. 4H 2 O ) + 0,8 NaOH dalam akuabides

32  Sintesis lapis tipis TiO 2 nanotube teknik deposisi fasa cair 0,38 M TiO 2 P25 dalam HF 5 % T kamar 2 jam Lapis Tipis ZnO-TiO 2 Lapis Tipis ZnO nanorod Lapis Tipis ZnO - TiO 2 H 3 BO 3 0,5 M 1 jam Lapis Tipis TiO 2 nanotube Pendeposisian Pelarutan kalsinasi 550 o C 1 jam

33  Sintesis lapis tipis TiO 2 nanotube teknik sol-gel Tahap I: Preparasi TiO 2 sol

34 Lapis Tipis ZnO -TiO2 Pelarutan H Cl 3 % (v/v) 5 detik Lapis Tipis TiO 2 nanotube kalsinasi 550 o C 1 jam Lapis Tipis ZnO nanorod Pendeposisian TiO2 sol dip coating Pemanasan 100 o C 10 menit Variasi frekuensi pencelupan Lapis Tipis ZnO -TiO2 Tahap II: Preparasi TiO 2 nanotube

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

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

37 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 Kesimpulan

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 Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada 18 Mei 2013  2013


Download ppt "TiO 2 Nanostruktur sebagai Fotoanoda Sel Surya Tersensitisasi Zat Warna Alam (Natural Dye-Sensitized Solar Cell, nDSSC ) Dr. Indriana Kartini Seminar Nasional."

Similar presentations


Ads by Google