January 24, 2008 · 9:26 pm

↓ Jump to Comments

Sel surya “rasa” temulawak

Ketika tengah mencari artikel untuk kliping sel surya di Blog ini, tidak sengaja saya menemukan secara berturut-turut harian media online Kapanlagi.com, edisi Senin, 16 April 2007 dan Kompas edisi Rabu 18 April 2007 lalu, menurunkan berita menarik mengenai temuan staf pengajar Departemen Kimia ITS yang membuat sel surya dengan mengunakan sari buah sebagai salah satu komponennya. “…. upaya yang saya lakukan cukup menjanjikan, karena teknologinya cukup mudah dan harganya jauh lebih murah dibanding sel surya berbahan silikon…..,” papar sang penemu, Prof Dr Syafsir Akhlus M.Sc kepada kapanlagi.com.

Beliau membuat sel surya tersebut dengan menggunakan pelapis diantara dua kaca yang ditempel dengan oksida timah (SnO₂), TiO₂ (titanium dioksida), zat warna dari buah manji (di berita lain ditulis buah mangsi), dan elektrolit. Jelas ini merupakan sebuah terobosan di tengah sulit dan mahalnya proses pembuatan sel surya yang sudah dikenal luas semisal sel surya silikon. Sel surya ini agakya cukup menjanjikan, karena teknologinya cukup mudah dan harganya jauh lebih murah dibanding sel surya berbahan silikon, tambah Pak Profesor. Guntingan beritanya dapat di lihat di Kliping Sel Surya.

Murah meriah

Mencermati struktur komponen sel surya yang diceritakan ke media di atas, patut diduga bahwa sel tersebut ialah berjenis Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) yang disulihbahasakan menjadi Sel Surya Pewarna Tersensitasi (SSPT).

SSPT terdiri atas dua buah substrat kaca yang dilapisi oleh transparent conducting coating. Dua substrat kaca ini mengapit lapisan TiO­₂ yang bercampur dengan pewarna (dye), larutan elektrolit serta satu tambahan lapisan tipis platinum. Pada bagian (c) digambarkan posisi pewarna (dye) yang terserap di permukaan TiO­₂.

SSPT made in ITS ini serupa dengan struktur SSPT umum, namun dengan menggunakan pewarna dari ekstrak buah manji dan menggunakan SnO₂ sebagai transparent conducting coating. Ketebalan lapisan transparent conducting coating pada umumnya berkisar 0.5-1 mikrometer, lapisan TiO­2 sekitar 5 – 10 mikrometer, dan ketebalan sel seluruhnya tidak lebih dari 2 sentimeter sudah termasuk substrat kaca_.

Gambar 1. Skema penampang melintang SSPT, (a) rangkaian sel, (b) penampang melintang sel, dan (c) perbesaran struktur TiO­₂ berpori dengan pewarna (dye). Sumber: Referensi [1].

SSPT ini ialah satu dari 10 jenis teknologi sel surya yang tengah dikembangkan para peneliti dan industriawan. SSPT ditemukan pada tahun 1991 oleh Prof. Michael Gratzel bersama-sama dengan mahasiswanya Brien O’Regan dari Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, Swiss [2]. Sel ini dikenal luas pula dengan sebutan Gratzel cell sebagai sebuah penghargaan komunitas sel surya atas penemuan berharga tersebut. Uniknya, dalam sebuah sesi tanya jawab Plenary Lecture di PVSEC-17 Fukuoka, Jepang, Prof. Gratzel menerangkan bahwa SSPT benar-benar merupakan murni buah keingintahuan dari suatu penelitian, meski fenomena foto-elektrokimia sudah cukup diketahui secara luas sebelum penemuan SSPT [3]. Efisiensi terbaik skala laboratorium dari SSPT ini ialah sekitar 10% sedangkan untuk modul sebesar 5% [4].

Berbanding terbalik dengan sel surya jenis silikon yang umum dikenal luas, sel surya jenis SSPT ini merupakan teknologi sel surya yang paling baru serta paling pesat perkembangannya karena cukup menjanjikan, baik dari segi biaya, kemudahan pembuatan serta aplikasinya yang luas.

Sel jenis SSPT tidak membutuhkan teknologi hampa udara (vakum) yang biasa dipakai untuk pembuatan setidaknya 9 jenis sel surya lain atau industri semikonduktor dan mikroelektronika, sehingga menghemat biaya maupun mempersingkat waktu pembuatannya. Di sisi lain, sel SSPT merupakan satu-satunya sel surya yang menggunakan larutan cair sebagai komponen penyerap matahari. Sehingga sejak dari pembuatan hingga penggunaan komponen penyusun sel, dapat dikata SSPT merupakan yang termurah saat ini, meski baru dikomersialkan secara terbatas.

Cara kerja sel SSPT dimulai ketika cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel, diserap oleh larutan pewarna (dye) yang sensitif terhadap cahaya matahari (disebut pula dengan photosensitizer, S) yang merupakan jantung dari SSPT (lihat Gambar 2 di bawah). Akibat terserapnya energi cahaya matahari ini, elektron (e-) dari pewarna dapat tereksitasi atau “terlepas” menuju ke lapisan TiO₂ yang terus kemudian dialirkan ke kabel melalui lapisan tipis conducting glass atau transparent conducting coating (elektroda). Sedangkan, kehilangan elektron pada larutan pewarna dikompensasikan oleh adanya donasi elektron dari larutan elektrolit iodin melalui reaksi reduksi-oksidasi (redoks) dengan lapisan tipis platinum (cathode/katoda).

Gambar 2. Skema proses konversi cahaya-listrik pada SSPT. Sumber: Referensi [3].

Inovasi ekstrak buah alami

Sisi yang luar biasa dari SSPT yang dikembangkan oleh ITS ini ada pada inovasi penggantian larutan pewarna (dye) standar dengan larutan ekstrak buah manji. Seorang pengunjung Blog saya menginformasikan bahwa tim ITS ini juga kabarnya berhasil menggunakan ekstrak temulawak sebagai pewarna pada SSPT.

Gambar 3. Temulawak, ekstraknya berpotensi mengubah cahaya matahari menjadi listrik.

Perlu diketahui, larutan pewarna yang standar digunakan saat ini ialah larutan kompleks dari Rhutenium (Ru) dan sianida (CN), dengan nama komersial RuL’(CNS)₃ complex atau tris(2,2’bipidryl-4,4’-carboxylate)rhutenium(II). Penulis pernah membeli larutan pewarna ini di tahun 2005 untuk keperluan sebuah science project dengan harga US$ 245 per 100 mg (perhatikan satuan milligram-nya). Pewarna ini sangat penting dalam kerja sel SSPT karena perannya sebagai penyerap cahaya matahari dan pengubah cahaya menjadi listrik. Gambar 4 merupakan pewarna standar yang pernah penulis beli dari Solaronix.

Gambar 4. Pewarna standar RuL’(CNS)₃ complex, (a) ketika baru dilarutkan, (b) warna pewarna ketika semuanya terlarut. Sumber: Koleksi pribadi.

Jelas, jika kita dapat mengganti larutan pewarna standar dengan pewarna alternatif yang jauh lebih murah, semisal ekstrak buah manji ini, maka harga sel SSPT dapat ditekan, tentu dengan catatan, performa sel mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik (efisiensi) juga sepadan.

Beberapa laporan penelitian internasional juga mengindikasikan adanya usaha menekan harga sel SSPT dengan cara yang identik, yakni mempergunakan ekstrak atau sari tumbuhan sebagai pewarna alternatif di dalam SSPT. Para peneliti dari China menggunakan ekstrak buah, daun dan bunga black rice, capsicum, erythrina variegate flower, rosa xanthina, dan kelp (maaf, penulis kurang paham bagaimana bentuk tanaman-tanaman ini-pen). Bahkan ada yang mencoba dengan blueberry dan bahan lain [5-8]. Hasil dari usaha ini cukup menjanjikan meski efisiensinya masih jauh dari kata memuaskan jika dibandingkan dengan menggunakan pewarna standar.

Penggantian pewarna atau zat photosensitizer dengan sari buah manji ini dimungkinkan karena adanya karakteristik warna dari buah manji sebagaimana ekstrak buah dari tumbuhan lain. Warna dari ekstrak tumbuhan ini dapat menyerap maupun meneruskan spektrum cahaya tampak (dikenal dengan “me–ji–ku–hi–bi–ni–u”), persis seperti kantong plastik dengan warna tertentu ketika terkena cahaya.

Bila plastik merah terkena cahaya, maka ia akan menyerap semua spektrum cahaya, namun meneruskan warna merah. Plastik hijau meneruskan spektrum warna hijau namun menyerap semua spektrum warna lain. Sedangkan plastik hitam menyerap seluruh spektrum cahaya tampak. Buah manji yang dipergunakan sebagai photosensitizer SSPT made in ITS ini memiliki karakteristik warna yang dapat menyerap spekrum cahaya tertentu.

Sebagai contoh, ekstrak black rice dalam laporan penelitian dari China tersebut memiliki warna gelap kehitaman, sehingga ia menyerap seluruh spektrum cahaya yang datang ke arahnya. Sedangkan ekstrak capsicum memiliki warna kemerahan, sehingga menyerap seluruh spektrum cahaya namun meneruskan warna merah. Hasil observasi mereka berkaitan dengan respon ekstrak terhadap cahaya saya kutip di gambar di bawah ini.

Gambar 5. Pola penyerapan cahaya oleh pewarna, (kiri) pewarna alami, (kanan) pewarna standar RuL’(CNS)₃ complex. Sumber: Referensi [5 dan 7].

Perhatikan bahwa sumbu y merupakan Absorption yakni berapa besar persentase cahaya yang terserap/terabsorp. Semakin besar nilai absorption-nya, maka intensitas spektrum cahaya yang terserap semakin besar. Sedang sumbu x menerangkan panjang gelombang dari spektrum cahaya. Spektrum warna biru berada pada panjang gelombang 300-450 nm, warna hijau pada 450-600 nm, dan merah pada rentang > 600 nm, ketiganya merupakan warna pokok atau primer, sedangkan warna lain merupakan gabungan atau irisan dari warna-warna primer tersebut.

Dibandingkan dengan warna pewarna (dye) standar RuL’(CNS)₃ complex, maka kira-kira seperti itulah warna ideal dari photosensitizer pada SSPT, sebagaimana yang pernah saya foto beberapa tahun lalu (Gambar 4 di atas).

Ekstrak buah manji ataupun temulawak memiliki karakter menyerap spektrum warna tertentu. Mungkin ekstrak buah manji berwarna gelap seperti tinta (konon dikenal dengan buah tinta) sehingga dapat menyerap mayoritas spektrum warna cahaya tampak. Pola grafik absorption-nya dapat dipastikan mirip-mirip dengan gambar di atas, sehingga dapat menyerap sebagian atau mayoritas spektrum cahaya tampak, dan dapat dipergunakan sebagai photosesitizer pada SSPT.

Hanya saja, di luar usaha pencarian pewarna alternatif, penelitian dan pengembangan sel SSPT ini menemui tantangan yang tidak sedikit. Pertama, sel SSPT memiliki kelemahan dari segi enkapsulasi yang berujung pada bocornya larutan elektrolit ke luar sel, kedua kestabilan sel dan pewarna dalam jangka waktu yang panjang cenderung menurun jika sel dipergunakan pada daerah dengan suhu udara yang panas, ketiga persoalan efisiensi yang masih sangat rendah bila dibandingkan dengan sel surya jenis lain.

Bila teknologi SSPT yang dikembangkan di ITS dilanjutkan dengan langkah serius, mudah-mudahan upaya dan hasil yang diperoleh dapat menjadi rujukan masyarakat pemerhati sel surya dunia.

Gambar 6. Sel SSPT yang sudah dikembangkan. Perhatikan warna merah kecoklatan yang merupakan paduan dua warna dari dye dan larutan elektrolit. 

Sumber : dari sini.

Referensi

[1] http://www.solideas.com/solrcell/cellkit.html

[2] Brian O’Regan, Michael Gratzel, A low-cost, high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO₂ films, Nature, 353 (1991) Hal. 737-739.

[3] Michael Gratzel, Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 164 (2004) Hal. 3-14.

[4] Martin A. Green, Keith Emery, David L. King, Yoshihiro Hisikawa and Wilhelm Warta, Solar Cell Efficiency Tables (Version 27), Progress in Photovoltaics: Research and Application 14 (2006) Hal. 45–51.

[5] Sancun Hao, Jihuai Wu, Yunfang Huang, Jianming Lin, Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell, Solar Energy 80 (2006) Hal. 209–214.

[6] Greg P. Smestad, Education and solar conversion: Demonstrating electron transfer, Solar Energy Materials and Solar Cells 55 (1998) Hal. 157–178

[7] Michael Grätzel, Dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 4 (2003) Hal. 145–153

[8] Q. Dai, J. Rabani, Photosensitization of nanocrystalline TiO₂ films by anthocyanin dyes, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 26 (2002), Hal. 421–429.

https://energisurya.wordpress.com/2008/01/24/sel-surya-%E2%80%9Crasa%E2%80%9D-temulawak/

Penulis : Drs.Simon Arnold Julian Jacob