Kinerja Counter Electrode (CE) Berbahan Reduced Graphene Oxide (rGO) Untuk Aplikasi Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs)

Oleh:  Fatiatun

Akhir-akhir ini, bahan bakar fosil sebagai sumber energi listrik menunjukkan jumlah yang terbatas dan semakin menipis di alam. Oleh karena itu, penggunaan bahan bakar fosil harus dikurangi dan digantikan dengan menggunakan sumber energi alternatif seperti sinar matahari. Di Indonesia, sinar matahari dapat ditemukan dengan mudah karena termasuk dalam negara tropis. Sel surya merupakan teknologi alternatif untuk mengahasilkan listrik dengan menggunakan sinar matahari dan sel surya terbagi dalam 3 generasi. Generasi pertama dikembangkan oleh Chapin pada tahun 1954 dan menggunakan silikon sebagai bahan dasar^[1]. Generasi kedua menggunakan cadmium telluride (CdTe) dan silikon yang dikompositkan dengan bahan lain. Dye senistized solar cells (DSSCs) merupakan generasi ketiga dari sel surya yang pertama kali dikembangkan oleh O’Regan dan Gratzel sejak tahun 1991^[2] .

Di antara semua generasi sel surya, DSSCs memperoleh perhatian khusus dan telah secara luas dikembangkan untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik karena proses pembuatannya yang mudah, biaya produksi yang murah, efisiensi energi yang dihasilkan tinggi dan ramah lingkungan^[3]. Gambar 1 menunjukkan skema DSSCs yang terdiri dari 4 komponen penting seperti photoanode, dye, electrolyte dan counter electrode (CE) yang berperan dalam menentukan hasil efisiensi^[4]. CE merupakan salah satu komponen penting karena berperan dalam proses regulasi DSSCs dan berperan sebagai mediator untuk membangkitkan dye setelah masuknya elektron. Platinum (Pt) merupakan bahan yang sangat terkenal untuk CE karena aktivitas elektrokatalitik dan hasil efisiensi yang tinggi^[5]. Akan tetapi, Pt termasuk bahan yang mahal, terbatas di alam dan berkarat dalam cairan elektrolit. Oleh karena itu, graphene oxide (GO) dan reduced graphene oxide (rGO) digunakan untuk mengurangi dan menggantikan penggunaan Pt sebagai bahan CE di dalam aplikasi DSSCs. GO dan rGO merupakan keluarga karbon yang harganya murah dan tersedia melimpah di dunia. Oleh karena itu, GO dan rGO menunjukkan bahan yang sesuai untuk CE karena biaya produksinya yang murah, tranparansi yang tinggi, konduktivitas listrik yang bagus, luas permukaan dan hasil efisiensi yang tinggi^[6].

Gambar 1. Skema komponen-komponen dalam aplikasi DSSCs^[4] .

GO dapat disintesis dengan menggunakan metode Hummer’s dan electrochemical exfoliation. Metode Hummer’s menunjukkan proses sintesis GO yang mahal karena penggunaan banyak bahan kimia dan memerlukan waktu yang lama^[7]. Metode electrochemical exfoliation (Gambar 2) memiliki banyak kelebihan dan lebih sesuai untuk digunakan dalam proses sintesis GO dibandingkan dengan metode Hummer’s karena biaya produksinya yang murah, ramah lingkungan dan simpel^[7]. Selain itu, metode electrochemical exfoliation juga hanya menggunakan DI water sebagai elektrolit dan surfaktan yang digunakan untuk membantu melemahkan interaksi Van der Waals antara lapisan grafit, menstabilkan dan membantu dispersi GO yang dihasilkan^[8]. Di dalam penelitian ini, surfaktan buatan sendiri yang mempunyai 3 ekor dengan nama sodium 1, 4-bis (neopentyloxy)-3-(neopentyloxycarbonyl)-1, 4-dioxobutane-2-silphonate (TC14) digunakan untuk membantu sintesis GO karena dapat memberikan 3 kali interaksi selama pengelupasan batang grafit^[4]. Hal ini menyatakan bahwa surfaktan TC14 memberikan hasil sintesis GO yang lebih bagus dibandingkan surfaktan sodium dodecyl suphate (SDS) dengan 1 ekor.

Gambar 2. Skema metode electrochemical exfoliation yang digunakan untuk sintesis GO

GO yang telah disintesis kemudian dilakukan proses pengurangan kandungan oksigen di dalamnya dengan menggunakan proses reduksi (Gambar 3 (a)) dengan tujuan untuk menghasilkan rGO. Selama proses ini, hydrazine hydrate digunakan sebagai reducing agent karena keefektifannya dalam mengurangi kadar oksigen dalam GO. Gambar 3 (b)  menujukkan skema proses pembuatan film tipis dari larutan GO dan rGO dengan menggunakan metode spray coating yang dilakukan di atas substrat fluorine-doped tin oxide (FTO). Film tipis GO dan rGO yang telah dihasilkan melalui metode spray coating dapat digunakan sebagai CE dalam aplikasi DSSCs. Selain itu, CE juga menggunakan rGO yang dikompositkan dengan Pt (rGO/Pt), ini digunakan untuk membandingkan hasil efisiensinya dengan Pt dan rGO murni.

Gambar 3. Skema (a) proses reduksi yang digunakan untuk menghasilkan rGO dari GO dan (b) metode spray coating yang digunakan untuk membuat film tipis

Berdasarkan hasil analisis melalui field emission scanning electron microscopy (FESEM), film tipis rGO menunjukkan struktur yang lebih tipis daripada GO karena kandungan oxigen yang lebih rendah di dalam rGO (35.81 %) yang dibuktikan melalui analisis energy dispersive X-ray (EDX)^[4]. Gambar 4 menunjukkan hasil analisis high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), film tipis rGO juga memperlihatkan jumlah lapisan yang lebih sedikit (~4 lapisan) dibandingan GO (~7 lapisan)^[4]. Selain itu, rGO memiliki struktur yang berbentuk seperti lembaran dan lapisan yang lebih transparan dibandingkan GO. Film tipis rGO juga memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik (~5.6 x 10^-1 S.cm^-1) dibandingkan GO (~4.3 x 10^-1 S.cm^-1) yang mana dihasilkan dari analisis four-point probe^[4]. Berdasarkan semua analisis yang telah dilakukan, film tipis rGO menujukkan bahan yang sesuai untuk digunakan sebagai CE di dalam apikasi DSSCs.

Gambar 4. Citra HRTEM (a)-(b) rGO dan (c)-(d) GO^[4].

Efisiensi yang dihasilkan oleh DSSCs dengan menggunakan GO, rGO, Pt dan rGO/Pt sebagai CE dapat diukur dengan menggunakan solar simulator. Di antara semua sampel CE, sampel rGO/Pt menunjukkan hasil efisiensi yang paling tinggi (~0.0445%) dengan nilai V_oc, J_sc dan FF sekitar 0.623 V, 0.141 mA/cm² dan 0.431, berturut-turut^[4]. Nilai ini menyatakan bahwa Pt yang telah dikompositkan dengan rGO mempunyai nilai efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan Pt murni (~0.0433%). Hasil ini disebabkan oleh luas permukaan yang lebih besar pada sampel rGO/Pt daripada Pt murni. Luas permukaan yang besar pada sampel rGO/Pt dapat secara optimal membangkitkan dye setelah masuknya elektron dan mempecepat transportasi elektron, kemudian meningkatkan hasil efisiensi dalam DSSCs^[4]. Selain itu, sample rGO juga menunjukkan hasil efisiensi yang lebih tinggi (~0.0065%) dibandingkan GO (~0.0055%), ini disebabkan oleh konduktivitas listrik rGO yang lebih baik^[4]. Penemuan ini menyatakan bahwa penggunaan rGO dalam sampel rGO/Pt sebagai CE telah meningkatkan hasil efisiensi dalam DSSCs dibandingkan dengan konvensional Pt.

Referensi

[1]  Chapin, D. M., Fuller, C. S., & Pearson, G. L. (1954). A new silicon pn junction photocell for converting solar radiation into electrical power. AIP Journal of Applied Physics, 676, 22–24.

[2]  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.

[3]  Hug, H., Bader, M., Mair, P., & Glatzel, T. (2014). Biophotovoltaics: Natural pigments in dye-sensitized solar cells. Applied Energy, 115, 216–225.

[4]  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.

[5]  Yue, G., Wu, J., Xiao, Y., Huang, M., Lin, J., Fan, L., & Lan, Z. (2013). Platinum/graphene hybrid film as a counter electrode for dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta, 92, 64–70.

[6]  Suriani,A. B., Nurhafizah, M. D., Mohamed, A., Mamat, M. H., Malek, M. F., Ahmad,  M. K., Pandikumar, A., & Huang, N. M. (2017). Enhanced photovoltaic perfromance using reduced graphene oxide assisted by triple-tail surfactant as an effiecient and low cost counter electrode for dye sensitized solar cells. Optik, 139. 291-298.

[7] Nurhafizah, M. D., Suriani, A. B., Alfarisa, S., Mohamed, A.,  Isa, I. M.,  Kamari, A., Hashim, N., Aziz, A. A., & Rusop, M. R. (2015). A review: Synthesis methods of graphene and its application in supercapasitor devices. Advanced Materials, 1109, 55–59.

[8] Mohamed, A., Ardyani, T., Suriani, A. B., Brown, P., Hollamby, M., Sagisaka, M., & Eastoe, K. (2016). Graphene-philic surfactants for nanocomposites in latex technology. Advances in Colloid Interface Science, 230, 54-69.