Sebuah penelitian yang diterbitkan dalam International Journal of Technology (2018) membawa kabar menarik dari laboratorium material di Universitas Indonesia: sel surya generasi ketiga berbasis pewarna sintetis — yang dikenal sebagai dye-sensitized solar cell (DSSC) — bisa bekerja jauh lebih baik hanya dengan mengubah cara nanopartikel titanium dioksida (TiO₂) disiapkan. Dr. drg. Bambang Priyono, S.U. bersama tim peneliti dari Departemen Teknik Metalurgi dan Material FTUI menemukan bahwa perlakuan hidrotermal pada suhu 120°C menghasilkan tegangan rangkaian terbuka (open-circuit voltage/Voc) sebesar 320 milivolt — 15 kali lebih tinggi dibanding metode aerogel konvensional yang hanya menghasilkan 21 milivolt. Penelitian ini dilakukan di Kampus UI Depok dan dipublikasikan pada 2018, dengan tujuan mencari teknik preparasi optimal yang lebih efisien dan ramah lingkungan sebagai alternatif energi fosil.
Sel Surya Murah dari Pasta Nano
DSSC bukan teknologi baru, tapi ia terus menarik perhatian karena alasan yang sederhana: murah dan mudah dibuat. Tidak seperti panel surya silikon konvensional yang membutuhkan proses fabrikasi rumit dan mahal, DSSC bekerja mirip proses fotosintesis — molekul pewarna menyerap cahaya, lalu melepaskan elektron yang mengalir sebagai arus listrik.
Komponen kunci dalam sistem ini adalah lapisan semikonduktor TiO₂ yang bertindak sebagai fotoelektroda. Lapisan inilah yang menangkap elektron dari molekul pewarna dan mengalirkannya ke sirkuit luar. Semakin baik struktur kristal TiO₂ dan semakin luas permukaannya, semakin banyak pewarna yang bisa diserap, dan semakin besar pula tegangan yang dihasilkan.
Tantangannya: bagaimana menyiapkan TiO₂ dengan kristalinitas tinggi sekaligus luas permukaan yang besar? Kedua sifat ini sering saling bertolak belakang — proses yang meningkatkan kristalinitas cenderung mengorbankan luas permukaan.
Dua Jalur, Satu Pertanyaan Besar
Tim peneliti mencoba dua pendekatan berbeda untuk menjawab pertanyaan itu.
Jalur pertama menggunakan metode supercritical extraction (SCE) untuk membuat aerogel TiO₂. Dalam proses ini, gas CO₂ pada kondisi superkritis digunakan untuk mengekstrak pelarut dari gel, meninggalkan jaringan pori yang luas. Hasilnya memang mengesankan dari sisi luas permukaan: 110,31 m²/g — angka tertinggi di antara semua sampel yang diuji. Namun, kristalinitas material ini lebih rendah dibanding sampel yang diproses secara hidrotermal.
Jalur kedua adalah perlakuan hidrotermal pada tiga variasi suhu: 100°C, 120°C, dan 150°C, diikuti pengeringan dan kalsinasi bertahap (multi-step calcination) pada 150°C, 300°C, dan 420°C. Proses kalsinasi bertahap ini — bukan kalsinasi langsung satu tahap — dirancang khusus agar jaringan pori tidak runtuh akibat lonjakan suhu mendadak.
Hasilnya cukup mengejutkan. Sampel yang diperlakukan secara hidrotermal pada 120°C memiliki energi celah pita (band-gap energy) paling rendah, yaitu 3,29 eV — mendekati nilai ideal fase anatase TiO₂ sebesar 3,28 eV. Ini menandakan kristalinitas yang optimal. Dan ketika diuji sebagai DSSC menggunakan lampu proyektor 50 watt, sampel ini menghasilkan Voc 320 mV, jauh melampaui sampel lainnya.
“Pre-hydrothermal treatment can make stiff Ti–OH networks become more flexible, leading to the formation of Ti–O–Ti arrangements after completion of the hydrolysis process. These Ti–O–Ti structures improve the crystallinity of TiO₂ and lead to a better performance of the material.” — Bambang Priyono et al., International Journal of Technology, 2018
Rahasia di Balik Angka 120°C
Mengapa 120°C, bukan 150°C yang secara logika menghasilkan panas lebih besar?
Penjelasannya ada di tingkat molekuler. Perlakuan hidrotermal bekerja dengan memecah jaringan Ti–OH yang kaku — struktur yang justru menghambat pertumbuhan kristal TiO₂. Pada suhu 120°C, jaringan ini cukup dilunakkan sehingga terbentuk ikatan Ti–O–Ti yang lebih teratur dan fleksibel, menghasilkan kristalinitas optimal.
Pada suhu 150°C, meski ukuran kristalit lebih besar (9,73 nm dibanding 7,79 nm pada 120°C), performa DSSC-nya justru turun ke 160 mV. Tim peneliti menduga ini terkait ketebalan lapisan TiO₂ pada kaca konduktif yang tidak seragam — sebuah variabel acak yang perlu dikendalikan lebih ketat dalam penelitian lanjutan.
Dari analisis gambar scanning electron microscopy (SEM), partikel pada perlakuan 120°C menunjukkan tepi yang lebih halus dengan ukuran antara 127 hingga 233 nm — lebih besar dan lebih teratur dibanding partikel pada 100°C yang masih tajam dan kasar. Morfologi ini berkontribusi pada distribusi Ti–O–Ti yang lebih merata, yang pada akhirnya mendukung performa fotoelektrokimia yang lebih baik.
Energi Bersih Dimulai dari Skala Nano
Penelitian ini memang belum menghasilkan panel surya siap pasang di atap rumah. Pengujian Voc menggunakan lampu proyektor — bukan sinar matahari penuh — dan skala produksinya masih laboratorium. Namun, ia menjawab pertanyaan mendasar yang selama ini mengganjal pengembangan DSSC: teknik preparasi mana yang paling menjanjikan?
Jawabannya, setidaknya berdasarkan data ini, adalah hidrotermal pada 120°C dengan kalsinasi bertahap. Metode ini lebih unggul dari aerogel dalam hal performa Voc, meski aerogel masih memimpin soal luas permukaan. Kombinasi keduanya — atau modifikasi lebih lanjut — bisa jadi kunci untuk DSSC generasi berikutnya yang benar-benar efisien.
Nanopartikel setebal sepersejuta milimeter itu menyimpan potensi yang jauh melampaui ukurannya. Dan dari laboratorium material di Depok, satu langkah kecil menuju energi surya yang lebih terjangkau telah diambil.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Pexels
Sumber DOI: https://doi.org/10.14716/ijtech.v9i5.1067
