Sebuah temuan dari laboratorium material di Universitas Indonesia membuka perspektif baru soal sel surya yang murah dan ramah lingkungan. Dr. drg. Bambang Priyono, S.U., bersama tim penelitinya dari Departemen Teknik Metalurgi dan Material UI, berhasil membuktikan bahwa nanopartikel titanium dioksida (TiO₂) yang disintesis melalui proses sol-gel dan diperlakukan secara hidrotermal mampu bekerja sebagai komponen aktif dalam dye-sensitized solar cell (DSSC), yakni jenis sel surya yang memanfaatkan zat warna sebagai penyerap cahaya. Penelitian yang dipublikasikan dalam IOP Conference Series: Materials Science and Engineering pada 2018 ini menjawab pertanyaan mendasar: pada suhu berapa perlakuan hidrotermal menghasilkan performa terbaik?
Sel Surya Bukan Lagi Monopoli Panel Mahal
DSSC bukan teknologi baru, tapi ia menawarkan sesuatu yang panel surya konvensional belum bisa: biaya produksi rendah, proses pembuatan yang relatif sederhana, dan jejak lingkungan yang lebih bersih. Berbeda dari sel surya silikon yang butuh pemrosesan suhu tinggi dan bahan baku mahal, DSSC bekerja dengan prinsip yang terinspirasi fotosintesis. Cahaya diserap oleh molekul zat warna, lalu energinya ditransfer ke lapisan semikonduktor oksida berpori, umumnya TiO₂, sebelum akhirnya mengalir sebagai arus listrik.
Kuncinya ada di lapisan TiO₂ itu sendiri. Semakin luas permukaannya, semakin banyak molekul zat warna yang bisa menempel. Semakin tinggi kristalinitas materialnya, semakin efisien transfer elektron berlangsung. Dua hal ini, luas permukaan dan kristalinitas, seringkali saling bertarik: meningkatkan satu bisa mengorbankan yang lain. Di sinilah tantangan yang coba dijawab oleh tim Dr. drg. Bambang Priyono, S.U.,.
Dari Gel ke Kristal: Perjalanan Nanopartikel
Tim peneliti menyintesis TiO₂ menggunakan metode sol-gel, dimulai dari bahan baku titanium tetra-n-butoksida yang dilarutkan dalam etanol dan asam klorida, lalu ditambahkan air secara perlahan. Campuran ini diaduk selama tiga jam, dibiarkan mengering menjadi xerogel, kemudian dibakar bertahap dalam tiga tahap kalsinasi: 150°C untuk menguapkan pelarut, 300°C untuk menghilangkan sisa senyawa organik, dan 420°C untuk membentuk fase anatase TiO₂, fase kristal yang paling aktif secara fotoelektrokimia.
Setelah kalsinasi, serbuk TiO₂ menjalani perlakuan hidrotermal pasca-kalsinasi (post-hydrothermal treatment) dalam autoklaf berlapis Teflon pada tiga variasi suhu: 100°C, 120°C, dan 150°C selama 14 jam. Proses ini dirancang untuk merapikan jaringan ikatan Ti-O-Ti, membuat struktur kristal lebih teratur tanpa harus mengorbankan luas permukaan secara drastis.
Sebagai pembanding, tim juga menggunakan TiO₂ komersial P-25 Degussa, produk standar industri yang sudah dikenal memiliki kristalinitas tinggi.
Angka yang Berbicara: 120°C Menang Tipis
Karakterisasi menggunakan difraksi sinar-X (XRD), pengukuran luas permukaan BET, dan spektroskopi UV-Vis DRS mengungkap gambaran yang menarik. Sampel yang diperlakukan pada 150°C memiliki ukuran kristal terbesar, yakni 10,55 nm, dengan luas permukaan 95,38 m²/gram dan energi celah pita (band gap energy) 3,36 eV. Sementara sampel 100°C justru punya luas permukaan tertinggi, 117,96 m²/gram, meski ukuran kristalnya hanya 5,49 nm.
Namun saat semua sampel dirakit menjadi prototipe DSSC dan diuji menggunakan lampu proyektor 50 watt, hasilnya mengejutkan. Sampel yang diperlakukan pada 120°C menghasilkan tegangan rangkaian terbuka (open circuit voltage/V_OC) tertinggi: 250 mV. Sampel 150°C mengikuti di angka 244 mV, lalu 100°C di 142 mV. Yang paling mengejutkan: TiO₂ P-25 Degussa, si standar industri dengan kristalinitas terbaik, hanya menghasilkan 31,2 mV karena luas permukaannya yang sangat rendah, hanya 13,64 m²/gram.
“Post-hydrothermal process has made the stiff Ti-OH network to become more flexible and to be arranged as Ti-O-Ti after completion of the hydrolysis process. Ti-O-Ti rearrangement has helped to make the degree of crystallinity of the TiO₂ higher and for the sample to achieve a better performance.” — B. Priyono et al., IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018
Temuan ini menegaskan bahwa performa DSSC bukan ditentukan oleh satu faktor tunggal. Keseimbangan antara kristalinitas, luas permukaan, dan energi celah pita bekerja bersama. Sampel 120°C berhasil menyeimbangkan ketiganya dengan paling baik: ukuran kristal 8,85 nm, luas permukaan 92,25 m²/gram, dan band gap yang cukup rendah untuk memaksimalkan penyerapan foton.
Relevansi yang Melampaui Laboratorium
Penelitian ini bukan sekadar eksplorasi material. Di tengah kebutuhan Indonesia akan sumber energi terbarukan yang terjangkau, pengembangan DSSC berbasis TiO₂ sintesis lokal membuka kemungkinan nyata. Metode sol-gel tidak membutuhkan peralatan industri skala besar. Bahan bakunya relatif mudah didapat. Dan proses hidrotermal dapat dikendalikan hanya dengan mengatur suhu oven.
Yang lebih penting, riset ini menunjukkan bahwa parameter proses bisa dioptimalkan secara sistematis. Suhu 120°C bukan angka ajaib, melainkan titik keseimbangan yang ditemukan lewat eksperimen terukur. Dari titik ini, langkah selanjutnya adalah mengukur efisiensi konversi daya penuh (power conversion efficiency) dan menguji ketahanan jangka panjang prototipe, dua hal yang akan menentukan apakah teknologi ini layak bergerak dari meja laboratorium ke atap rumah.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Foto: Freepik
sumber DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/105/1/012121
