Penggunaan Komposit Zinc Oxide (ZnO) Nanorods/Titanium Dioxide (TiO2) Nanopartikel Sebagai Fotoanoda Untuk Aplikasi Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs)

Oleh: Fatiatun

Pada tahun 1991, dye senistized solar cells (DSSCs) mulai dikembangkan oleh O’Regan dan Gratzel[1]. DSSCs merupakan generasi ketiga dari sel surya yang secara luas telah dikembangkan untuk menggantikan bahan bakar fosil. DSSCs juga memperoleh perhatian khusus dalam sel surya dibandingkan dengan sel surya yang menggunakan silikon. Hal ini disebabkan oleh proses pembuatan DSSCs yang simpel, murah dan hasil efisiensi yang tinggi[2]. Ada 4 komponen utama dalam DSSCs yaitu fotoanoda, dye, electrolyte dan counter electrode (CE). Komponen-komponen tersebut memerankan peranan penting dalam pengubahan sinar matahari menjadi listrik. Secara umum, DSSCs menggunakan bahan semikonduktor seperti zinc oxide (ZnO), titanium dioxide (TiO2), tin oxide (SnO2), strontium titanate (SrTiO3) dan niobium pentaoxide (Nb2O5) sebagai fotoanoda.

Akan tetapi, ZnO dan TiO2 secara luas telah dipakai untuk fotoanoda dibandingkan semikonduktor yang lain karena energi celah pita yang lebar sekitar ~3.37 dan ~3.20 eV, berturut-turut[3]. Di dalam fotoanoda, energi celah pita yang lebar diperlukan untuk menyerap banyak energi foton dari sinar matahari. Selain itu, ZnO juga memiliki mobilitas electron yang lebih tinggi (115–155 cm2 V−1 s−1) dibandingkan dengan TiO2 (0.1–4 cm2 V−1 s−1). Akan tetapi, ZnO menunjukkan hasil efisiensi DSSCs yang lebih rendah daripada TiO2 karena ketidakstabilan instrinsik yang disebabkan oleh penggumpalan Zn2+/dye di atas permukaan ZnO, sehingga mempengaruhi masuknya elektron dalam fotoanoda[4]. Oleh karena itu, ZnO dikompositkan dengan TiO2 yang bertujuan untuk mempermudah masuknya elektron dalam fotoanoda, kemudan meningkatkan hasil efisiensi dalam DSSCs.

ZnO mempunyai banyak nanostruktur seperti nanorods (NRs), nanowires (NWRs), nanoflakes, tetrapods dan nanosheets. Di antara semua nanostruktur tersebut, ZnO NRs memperoleh banyak perhatian dan telah secara luas digunakan sebagai struktur fotoanoda karena luas permukaannya yang besar, transportasi elektron yang baik, rekombinasi muatan yang rendah dan hasil efisiensi DSSCs yang tinggi[5, 6]. Beberapa metode yang dapat digunakan untuk mensintesis ZnO NRs adalah sol-gel immersion, hydrothermal, chemical bath deposition (CBD) dan chemical vapour deposition (CVD). Sol-gel immersion adalah salah satu metode sintesis ZnO NRs yang menguntungkan karena proses sintesis yang simpel, biaya produksi yang murah dan mudah untuk mengontrol pertumbuhan ZnO NRs, sehingga sesuai untuk digunakan dalam jumlah produksi yang besar[7]. Gambar 1 menunjukkan skematik proses penumbuhan ZnO NRs dengan menggunakan metode sol-gel immersion.

 

Gambar 1. Skematik proses dalam metode sol-gel immersion yang digunakan untuk mensintesis ZnO NRs.

 Sebelum penumbuhan ZnO NRs, seed layer diperlukan untuk mengurangi efek kisi yang tidak cocok dan berperan penting dalam mempercepat reaksi kimia selama proses penumbuhan di atas substrat fluorine doped tin oxide (FTO)[8]. Umumnya, magnesium zinc oxide (MgZnO), aluminium zinc oxide (AlZnO), magnesium oxide (MgO) dan aurum (Au) digunakan sebagai seed layer dalam sintesis ZnO nanostruktur. Di antara semua seed layer, MgZnO menunjukkan seed layer yang cocok untuk menumbuhkan ZnO NRs karena Mg2+ mempunyai jari-jari yang hampir sama (0.72 Å) dengan Zn2+ (0.74 Å). MgZnO juga dipercaya dapat memberikan kerusakan kisi yang rendah ketika Zn2+ digantikan dengan Mg2+[9].

MgZnO sebagai seed layer dapat difabrikasi dengan menggunakan metode dip coating, spin coating dan sputter coating [8]. Metode dip coating jarang digunakan untuk fabrikasi seed layer karena ketebalan film yang dihasilkan tidak homogen dan film tipis yang dihasilkan dari sputter coating juga menunjukkan banyak impurities. Akan tetapi, spin coating menunjukkan metode yang bagus untuk fabrikasi seed layer karena mudah untuk menghasilkan ketebalan film tipis yang homogen dan biaya produksi yang murah[8]. Oleh karena itu, metode spin coating dipilih untuk fabrikasi MgZnO seed layer yang kemudian digunakan untuk menumbuhkan ZnO NRs.

Selain ZnO, TiO2 juga memiliki banyak nanostruktur seperti nanopartikel, NRs, NWRs dan nanoflowers. Akan tetapi, TiO2 nanopartikel telah memperoleh banyak perhatian sebagai struktur fotoanoda karena proses fabrikasinya yang mudah dan luas permukaan yang tinggi, sehingga fotoanoda dapat menyerap dye dalam jumlah yang banyak[10]. Penyerapan banyak dye molekul dalam fotoanoda dapat meningkatkan penyerapan cahaya yang datang dalam rentang cahaya tampak dan near-infrared, sehingga terjadi peningkatan eksitasi elektron dan hasil efisiensi di dalam DSSCs. Dalam penelitian ini, TiO2 nanopartikel difabrikasi di atas permukaan ZnO NRs dengan menggunakan metode squeegee. Penggunaan komposit TiO2 nanopartikel di atas ZnO NRs ini dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan penyerapan dye di dalam fotoanoda yang mana kemudian meningkatkan hasil efisiensi DSSCs.

Berdasarkan hasil analisis menggunakan field emission scanning electron microscopy (FESEM) dalam Gambar 2, MgZnO seed layer (Gambar 2(a)) menunjukkan struktur nanopartikel yang terdistribusi secara homogen di atas permukaan substrat FTO. Oleh karena itu, ZnO NRs yang ditumbuhkan di atas permukaan MgZnO seed layer (Gambar 2 (b)-(c)) juga menunjukkan struktur yang homogen[11]. Setelah ZnO NRs dikompositkan dengan TiO2 nanopartikel, permukaan ZnO NRs tidak terlihat lagi karena TiO2 nanopartikel yang terfabrikasi itu homogen dan tebal seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 (d)-(e)[11]. Hal ini menyatakan bahwa fotoanoda menggunakan ZnO NRs/TiO2 nanopartikel sesuai untuk aplikasi DSSCs karena dapat menyerap banyak dye, kemudian meningkatkan hasil efisiensi. ZnO NRs juga memiliki konduktivitas listrik yang bagus sekitar ~1 x 10-2 S.cm-1. Dalam pengukuran solar simulator, ZnO NRs/TiO2 nanopartikel sebagai fotoanoda dan komposit reduced graphene oxide (rGO) dengan platinum (Pt) (rGO/Pt) sebagai CE menunjukkan hasil efisiensi sekitar 0.0445% dengan nilai Voc, Jsc dan FF sekitar 0.623 V, 0.141 mA/cm2 dan 0.431, berturut-turut[11].

Gambar 3. Citra FESEM (a) MgZnO seed layer, (b)-(c) ZnO NRs dan (d)-(e) ZnO NRs/TiO2 nanopartikel[11].

Gambar 3 menunjukkan cara kerja DSSCs yang mana struktur dan ketebalan fotoanoda seperti ZnO NRs dan TiO2 nanopartikel sangat mempengaruhi nilai efisiensi DSSCs. Semakin tebal ZnO NRs dan TiO2 nanopartikel, semakin banyak dye yang terserap oleh fotoanoda dan hal ini juga menentukan jumlah energi foton dari sinar matahari yang terserap. Jumlah penyerapan energi foton yang tinggi akan meningkatkan foto eksitasi elektron di dalam DSSCs yang akan diubah menjadi arus listrik. Hal ini juga dapat diamati dengan hasil efisiensi DSSCs yang tinggi.

Gambar 4. Skematik proses kerja dalam DSSCs.

Referensi

[1]  O’Regan, B., & Grätzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 353(6346), 737–740.

[2]  Xue, Y., Liu, J., Chen, H., Wang, R., Li, D., Qu, J., & Dai, L. (2012). Nitrogen-doped graphene foams as metal-free counter electrodes in high-performance dye-sensitized solar cells. Angewandte Chemie-International Edition, 51(48), 12124–12127.

[3]  Malek, M. F., Mamat, M. H., Khusami, Z., Sahdan, M. Z., Musa, M. Z., Zainun, A. R., Suriani, A. B., Sin, N. D. M., Hamid, S. B. A., & Rusop, M. (2014). Sonicated sol-gel preparation on nanoparticulate ZnO thin films with various depsoition speeds: The highly preferred c-axis (002) orientation enhances the final properties. Journal od Alloys and Compounds, 582, 12–21.

[4]  Lou,Y., Yuan, S., Zhao, Y., Hu, P., Wang, Z., Zhang, M., Shi, L., & Li, D. (2013). A simple route for decorating TiO2 nanoparticle over ZnO aggregates dye-sensitized solar cell. Chemical Engineering Journal, 229, 190–196.

[5]  Kislyuk, V. V., & Dimitriev, O.P. Nanorods and nanotubes for solar cells. (2008). Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 8(1), 131–148.

[6]  Malek, M. F., Sadan, M. Z., Mamat, M. H., Musa, M. Z., Khusaimi, Z., Husairi, S. S., Sin, N. D. M., & Rusop, M. (2013). A novel fabrication of MEH-PPH/Al:ZnO nanorod arrays based ordered bulk heterojunction hybrid solar cells. Applied Surface Science, 275, 75–83.

[7]  Malek, M. F., Mamat, M. H., Sahdan, M. Z., Zahidi, M. M., Khusaimi, Z., & Mahmood, M. R. (2013). Influence of various sol concentrations on stress/strain and properties of ZnO thin films synthesised by sol-gel technique. Thin Solid Films, 527, 102–109.

[8]   Suriani, A. B., Safitri, R. N., Mohamed, A., Alfarisa, S., Isa, I. M., Kamari, A., et al (2015). Enhanced field electron emission of flower-like zinc oxide on zinc oxide nanorods grown on carbon nanotubes. Materials Letters, 149, 66–69.

[9]  Lien, S. T., Chen, J. Z., Yang, Y. J., Hsu, C. C., & Cheng, I. C. (2014). Sol-gel derived amorphous/nanocrystalline MgZnO thin films annealed by atmospheric pressure plasma jets. Ceramics International, 40(2), 2707–2715.

[10] Shaikh, S. F., Mane, R. S., Min, B. K., Hwang, Y. J., & Joo, O. S. (2016). Chemical bath deposited ZnO thin film based UV photoconductive detector. Journal of Alloys and Compounds, 6. 1–10.

[11] Suriani, A. B., Fatiatun, Mohamed, A., Muqoyyanah, Hashim, N., Rosmi, M. S., Mamat, M. H., Malek, M. F., Salifairus, M. J., & Khalil, H. P. S. A. (2018). Reduced graphene oxide/platinum hybrid counter electrode assisted by custom-made triple-tail surfactant and zinc oxide/titanium dioxide bilayer nanocomposite photoanode for enhancement of DSSCs photovoltaic performance. Optik, 161, 70-83.

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Warung Sains Teknologi

Warstek Media

Warung Sains Teknologi (Warstek) adalah media SAINS POPULER yang dibuat untuk seluruh masyarakat Indonesia baik kalangan akademisi, masyarakat sipil, atau industri. Sampai saat ini, sains dan teknologi berkesan ekslusif yang hanya ada di laboratorium dan tidak mampu secara langsung berdampak kepada masyarakat. Akibatnya masyarakat, pemerintah dan industri tidak menjadikan sains sebagai sarana mengatasi permasalahan atau membuat kebijakan. Untuk itu, warstek hadir untuk menjawab tantangan tersebut.

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar