Transcript - Seminar Nasional Kimia UGM

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 [email protected]
Teknologi sel surya dewasa ini
1. 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 [email protected]
Zhang and Cao, 2011, Nano Today 6, 91-109
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
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
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
Series connected 64 DSC cells
Silicon Façade System
at the University of Melbourne, Australia
DSC Façade System
at the CSIRO Energy Centre Newcastle, Australia
Zhang and Cao, 2011, Nano
Today 6, 91-109
Published in: Hiroshi Imahori and
Tomokazu Umeyama; J. Phys. Chem.
C 2009, 113 (21). DOI: 10.1021/jp9007448,
Copyright © 2009 American Chemical
Society
Spectra matching REM dengan
radiasi matahari
pola radiasi matahari
From Nature to learn
Photosynthesis
(Energy Production
from Nature)
Artificial
Photosynthesis
(Energy from
Nature)
Workshop Advanced Material 1
14-15 Oktober 2009  2009 [email protected]
Artificial Photosynthesis
• Metode konversi
energi surya yang
menerapkan aspekaspek strategi atau
desain alam atau
bahan alam atau
semua aspek tersebut
Strategi
Bahan Alam
Fotoinduksi • Zat warna
transfer
klorofil
elektron via • Mediator
membran
transfer
elektron
Bagaimana ?
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
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
Image found at http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell
DSSC: prinsip kerja
TiO2: anatase Eg = 3.2 eV; rutile Eg = 3.05 eV
TCO Semiconductor
oxide
e- -
3
-3.8
EF
Dye
2
Redox couples Counter electrode
Pt/TCO
D*
4
9
CB
8
-5.0
1
hn
7
5
e-
-5.6
6
I-/I-3
D/D+
-7.0
VB
E vs vacuum
(eV)
Image from Ind riana Kartini
PhD thesis, 2004
-
e
External load
1-2-3-4-5-6 desired pathway
-
e
7 8 9 recombination pathways
ERedox
loss mechanism
dynamic competition
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
electron transpor
who is the winner ?
Dye-sensitized
solar cells (DSSCs)
fotokatoda
dye molecules
fotoanoda
• Komponen
– Material Transfer
Hole
• bahan
semikonduktor
tipe-p
• elektrolit redoks
(I3- /I-)
• polimer konduktif
• Komponen
– Material Transfer Elektron
• bahan semikonduktor tipe-n
• TiO2 nanopartikulat
– Zat warna
• kompleks
ruthenium (bipy)3
• porfirin
• antosianin
DSSC: Evaluasi Unjuk kerja
Kurva I-V
Parameter Sel Surya:
1. Open-circuit Voltage,
VOC
2. Short-circuit current,
ISC
3. 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= 0.1863 cm2 (J. Am. Chem.Soc. 2001, 123, 1613)
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
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
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
Natural DSSCs
• Output optimum
– Short circuit current,
HOMO
JSC ~ 1,83 mA/cm2
– Open circuit voltage,
VOC ~ 0,65 V
– Efisiensi konversi ~
0,68%
phorphyrin
LUMO
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
1. Rekayasa fotoanoda
 berstruktur nano
2. Rekayasa natural
dyes  co-sensitisasi,
surface
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 [email protected]
Natural dyes : zat
warna batik
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
VOC ~95 mV
ISC ~0,4 A
1
0.04
0.02
light He Bory
I (μA)
methanol extract
0.6
on titania film
0.5
0.4
0.2
0.1
0
-10
-0.02
0.7
0.3
light Sm
Setchell
dark
0.06
0.8
absorbance
Natural dyes :
klorofil alga
Sargassum mclurei Setchell
0.9
5
20
35
50
65
V (mV)
VOC ~60 mV
ISC ~0,14 A
-0.04
0
200
600
700
800
Hypnea espery Bory
0.9
-0.08
0.7
-0.14
500
1
0.8
methanol extract
absorbance
-0.12
400
wavelength (nm)
-0.06
-0.1
300
0.6
on titania film
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
0
200
300
400
500
600
wavelength (nm)
700
800
TiO2 solar cell (with anthocyanin dye extracted from
hard pericarp of mangosteen fruit)
Kartini et al., Asian J.
Chem., 22(6), 2010,
4501-4510
Generating Current = 0,025
µA
Generating Voltage = 100 mV
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 [email protected]
nanoparticles
nanowires
nanotubes
efisiensi ~ 10-11%
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
hybrid
aggregates
Thermally synthesized titania
SBET ~161 m2/g
D101(A) ~5,3 nm
Low crystallinity
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
VOC ~22 mV
ISC ~1,1 A
Dye tegeran
Widiyanti A., Triyana, K., Kartini, I, 2007
Mesoporous titania
a
VOC ~450 mV
ISC ~ 0,1 mA
Dye Ru-N3
a
b
0.18
a
0.15
J (mAcm-2)
acid route-acid treated
0.12
P25-acid treated
b
0.09
0.06
0.03
0
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
0
Kartini et al., J. Mater. Chem., 2004, 14, 2917
100
200
300
bias (mV)
400
500
Mesoporous titania
13
B
12
11
10
J(mAcm2)
9
8
7
neutral route untreated
acidic route acid treated
6
5
4
3
2
1
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800
Bias (mV)
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
VOC ~700 mV
ISC ~ 12 mA
Dye Ru-N3
Indriana Kartini , a PhD Thesis, The University of Queensland, Brisbane, 2004
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
Deposisi
TiO2
Teknik sol-gel
Prekursor : TTIP
Variasi frekuensi
pencelupan
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
Sintesis lapis tipis ZnO nanorod
Tahap I: Preparasi ZnO
seed layer
Deposisi
Pemanasan
seed layer
0,01 M
Zn(CH3COO)2.2H2O 130 oC, 2 jam
180 oC, 1 jam
dalam etanol
260 oC, 2 jam
Substrat kaca
Tahap II: Preparasi
ZnO nanorod
Proses
hidrotermal
Kaca terlapis seed
layer ZnO
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
Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik deposisi
fasa cair
Pendeposisian
T kamar
2 jam
Lapis Tipis
ZnO nanorod
0,38 M TiO2 P25
dalam HF 5 %
Pelarutan
kalsinasi
1 jam
Lapis Tipis
ZnO - TiO2
Lapis Tipis
ZnO-TiO2
550 oC
1 jam
H3BO3 0,5 M
Lapis Tipis TiO2 nanotube
Sintesis lapis tipis TiO2 nanotube teknik sol-gel
Tahap I: Preparasi TiO2 sol
Tahap II: Preparasi
TiO2 nanotube
dip coating
Pendeposisian
Pemanasan
100 oC
10 menit
Lapis Tipis
ZnO nanorod
Lapis Tipis
ZnO -TiO2
TiO2 sol
Pelarutan
Lapis Tipis
ZnO -TiO2
Variasi frekuensi
pencelupan
kalsinasi
HCl 3 % (v/v)
5 detik
550 oC
1 jam
Lapis Tipis TiO2
nanotube
Titania nanoparticlenanotube
50
25
100 nm
0
-100 -50
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500
I (µA)
-25
-50
-75
VOC ~450 mV
ISC ~ 0,125 mA
Dye antosianin
manggis
-100
-125
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
-150
Evana & Kartini, a master Thesis, 2013
V
(mV)
TiO2-NT
TiO2 P25
TiO2-NP
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]
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 [email protected]
Terima kasih atas hibah riset:
Kementerian Riset dan Teknologi Indonesia 2005 (RUT XII)
IFS (International Foundation for Science, Sweden) 2006-2012,
UGM Award 2006, ITSF (Indonesia Toray Science Foundation) 2009
DP2M Dikti (Hibah Bersaing 2007-2008, Hibah Kompetensi 2008-2009)
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 [email protected]
Seminar Nasional Kimia Universitas Gadjah Mada
18 Mei 2013  2013 [email protected]