Bayangkan sebuah material yang lebih ringan dari udara, namun mampu menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi listrik. Itulah aerogel, dan tim peneliti dari Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia berhasil mensintesisnya dari titanium dioksida (TiO₂) menggunakan teknik ekstraksi superkritis CO₂. Penelitian yang dipublikasikan dalam Advanced Materials Research Vol. 789 (2013) ini dipimpin oleh Dr. drg. Bambang Priyono, S.U., bersama Prof. Dr. Ir. Akhmad Herman Yuwono, M.Phil.Eng. dan sejumlah kolega. Hasilnya mengejutkan: sel surya berbasis aerogel TiO₂ menghasilkan tegangan rangkaian terbuka (open circuit voltage/Voc) sebesar 21,40 mV, hampir 20 kali lipat lebih tinggi dibanding sel surya dari material pembanding (xerogel) yang hanya menghasilkan 1,10 mV.
Ketika Gel Tidak Boleh Runtuh
Untuk memahami mengapa hasilnya bisa sedrastis itu, perlu sedikit perkenalan dengan dunia material berskala nano.
TiO₂ atau titanium dioksida bukan nama asing. Material ini ada di cat tembok putih, tabir surya, bahkan pasta gigi. Tapi dalam skala nanometer, sifatnya berubah total: luas permukaannya meledak, dan ia bisa berfungsi sebagai elektroda foto dalam dye-sensitized solar cell (DSSC), yaitu jenis sel surya generasi ketiga yang bekerja meniru proses fotosintesis. Cara kerjanya: molekul pewarna (dye) yang menempel di permukaan TiO₂ menyerap cahaya, lalu menginjeksikan elektron ke dalam semikonduktor, menghasilkan arus listrik.
Masalahnya, semakin luas permukaan TiO₂, semakin banyak molekul pewarna yang bisa menempel, dan semakin besar potensi listrik yang dihasilkan. Di sinilah aerogel unggul.
Proses pembuatan aerogel dimulai dari sol-gel, sebuah teknik kimia basah di mana larutan titanium tetra-n-butoksida dalam etanol diubah perlahan menjadi gel. Gel ini kemudian dikeringkan bukan dengan panas biasa, melainkan dengan CO₂ dalam kondisi superkritis, yaitu kondisi di mana CO₂ berada di antara fase cair dan gas secara bersamaan, pada tekanan 100 bar dan suhu 50°C. Teknik inilah yang menjaga struktur pori gel tetap utuh, tidak runtuh seperti yang terjadi pada pengeringan konvensional.
Hasilnya? Luas permukaan aerogel yang baru dikeringkan mencapai 1.975 m²/gram. Sebagai perbandingan, xerogel (gel yang dikeringkan secara konvensional) hanya punya luas permukaan 272 m²/gram. Selisihnya lebih dari tujuh kali lipat.
Kalsinasi Bertahap: Kunci yang Sering Terlewat
Luas permukaan yang besar saja tidak cukup. TiO₂ yang baru dikeringkan masih bersifat amorf, artinya struktur kristalnya belum terbentuk dengan baik. Elektron sulit bergerak dalam material amorf, sehingga kinerja sel surya pun melemah.
Tim peneliti lalu menerapkan kalsinasi bertahap (multi-step calcination): pemanasan pertama pada 150°C selama 3 jam untuk menguapkan pelarut, dilanjutkan 300°C selama 3 jam untuk menghilangkan senyawa organik sisa, dan terakhir 420°C selama 2 jam untuk memicu kristalisasi TiO₂ ke fase anatase. Dua tahap pertama dilakukan dalam atmosfer inert (tanpa oksigen), sementara tahap terakhir di udara terbuka.
Pendekatan bertahap ini terbukti jauh lebih efektif daripada kalsinasi langsung satu langkah pada 450°C. Setelah kalsinasi bertahap, aerogel mempertahankan luas permukaan 72 m²/gram, sedikit lebih baik dari xerogel yang tersisa 68 m²/gram. Analisis difraksi sinar-X (XRD) mengkonfirmasi terbentuknya kristal anatase dengan ukuran kristalit 9,21 nm pada aerogel dan 14,40 nm pada xerogel.
“Tegangan rangkaian terbuka yang lebih tinggi pada DSSC dengan aerogel TiO₂ disebabkan oleh luas permukaan yang lebih besar, yang memfasilitasi interaksi sinergis antara larutan pewarna sensitisasi dan material semikonduktor.”
Demikian kesimpulan yang dituliskan tim peneliti dalam paper tersebut, menegaskan bahwa luas permukaan adalah faktor penentu utama kinerja DSSC.
Dari Laboratorium ke Impian Energi Tropis
Indonesia menerima radiasi matahari rata-rata sepanjang tahun, sebuah kekayaan yang sebagian besar masih terbuang sia-sia. DSSC menawarkan jalur alternatif yang lebih murah dan lebih mudah diproduksi dibanding sel surya silikon konvensional karena tidak memerlukan kondisi manufaktur yang sangat steril.
Penelitian ini memang baru menghasilkan prototipe dengan tegangan yang masih rendah untuk aplikasi skala besar. Namun capaian aerogel TiO₂ yang menghasilkan Voc 21,40 mV jauh melampaui xerogel menunjukkan arah yang jelas: teknik superkritis dan kalsinasi bertahap adalah kombinasi yang layak dikembangkan lebih jauh.
Energi band-gap aerogel yang terukur sebesar 3,10 eV, sedikit di bawah nilai TiO₂ bulk (3,20 eV), mengindikasikan efek kurungan kuantum (quantum confinement effect) akibat ukuran kristal yang sangat kecil. Ini berarti material ini mampu menyerap cahaya pada panjang gelombang yang sedikit lebih panjang, membuka kemungkinan penyerapan spektrum matahari yang lebih luas.
Di negara tropis seperti Indonesia, di mana matahari bersinar nyaris tanpa henti, material sekecil nanometer ini menyimpan janji yang jauh lebih besar dari ukurannya.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Pexels
Sumber DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.789.28
