Getah Sebagai Elektrolit Sel Suria

Oleh : Dr. Mohd Sukor Su’ait
Institut Penyelidikan Tenaga Suria (SERI)
Universiti Kebangsaan Malaysia

Berikut merupakan ringkasan jurnal penulis sendiri bersama pelajar-pelajarnya bertajuk “Kajian Elektrolit Polimer berasaskan Getah Asli Terubah Suai (MG49) dalam Sel Suria Terpeka Pewarna”  yang diterbitkan dalam Jurnal Sains Malaysiana.

SEL SURIA TERPEKA PEWARNA (DSSC) KEADAAN PEPEJAL BERASASKAN GETAH ASLI TERUBAHSUAI MENCAPAI KECEKAPAN 3.48%

Buat pertama kalinya kecekapan sel suria keadaan pepejal (3.5%) yang menggunakan sumber getah asli terubahsuai dilaporkan di Malaysia dan antara yang terawal di dunia oleh sekumpulan penyelidik dari UKM. Kajian awal tersebut terhadap elektrolit polimer berasaskan 49% poli(metil metakrilat) cangkukan getah asli (MG49) dengan garam natrium iodida (NaI) dalam aplikasi sel suria terpeka pewarna (DSSC) ini telah dilaporkan dalam jurnal Sains Malaysiana. Ujian awal prestasi DSSC keadaan pepejal telah memberikan keputusan kecekapan yang rendah iaitu 0.26% dengan prestasi fotovoltaik, arus litar pintas (J_sc), voltan litar terbuka (V_oc), dan faktor medan (ff) masing-masing adalah 1.30 mA cm^-2, 0.56 V dan 34.91. Penambahbaikan di lakukan ke atas membran dalam keadaan pepejal kepada membran keadaan pepejal-kuasi atau separa pepejal menggunakan cecair elektrolit konvensional, Iodolyte memberikan nilai kecekapan berkali ganda kepada 3.48% dengan nilai Voc = 0.75 V, Jsc = 12.71 mA cm-2 dan ff = 37.70. Perubahan yang signifikan ini disumbangkan oleh keupayaan membran berstruktur liang mikro yang mampu menampung cecair elektrolit Iodolyte dan meningkatkan penguraian garam iodida.

Sejak berdekad yang lalu, para penyelidik menfokuskan kajian saintifik terhadap pembangunan dan pengoptimuman tenaga sel suria. Untuk sel solar monokristal Si, kecekapan tertinggi telah mencapai 23.3% pada tahun 2016 oleh Kaneka Corp., Jepun manakala sel solar perovskit tertinggi direkodkan pada 22.1% oleh Institut Penyelidikan Teknologi Kimia Korea (KRICT) dan Institut Sains and Teknologi Kebangsaan Ulsan (UNIST), Korea Selatan pada tahun 2016 (Green et al. 2017).

Terakhir ini, tumpuan telah banyak difokuskan kepada sel suria generasi ketiga yang berasaskan kepada bahan organik atau bahan hibrid organik-tidak organik (Green et al. 2001). Sejak penemuan sel suria terpeka pewarna (DSSC) oleh Grätzel and O’Regan pada tahun 1991, DSSC terbukti sebagai salah satu sel suria fotovoltaik (PV) generasi ketiga yang berpotensi tinggi dalam teknologi pembuatan sel fotovoltaik (O’Regan et al. 1991). Antara ciri-ciri DSSC yang paling menarik adalah kos pengeluaran yang lebih murah. Hal ini sedemikian kerana bahan yang digunakan adalah mudah diperolehi, tidak bertoksik dan kos pembuatan yang rendah mengurangkan penggunaan tenaga seterusnya menjimatkan proses pengilangan. Walaupun, kecekapan keseluruhan berkurangan pada kadar yang lebih pantas berbanding dengan sel suria berasaskan silikon konvensional, akan tetapi kadar toleransi kecekapan penukaran kuasa yang tinggi pada keadaan cahaya yang pelbagai terutamanya dibawah cahaya buatan dan keadaan berawan yang banyak terdapat di kawasan berhumid tinggi seperti di Malaysia menarik perhatian penyelidik untuk terus berusaha memperbaiki peranti ini (Bella 2015; Su’ait et al. 2015).

Sehingga kini, elektrolit jenis cecair dengan menggunakan pasangan redoks berasaskan kobalt (II/III) bersama-sama dengan tert-butil piridin, dan LiClO₄ dalam asetonitril sebagai pelarut dan zink-pemeka porfirin (SM315) memberikan kecekapan penukaran kuasa tertinggi DSSC sehingga 13% (Matthew et al. 2014). Kakiage et al. (2015) dari ADEKA Corp., Jepun telah memperolehi 14% kecekapan mengunakan dua pemeka bersama (pewarna ADEKA-1 dengan kumpulan penambat alkoksil dan pewarna organik LEG4 dengan kumpulan penambat karboksil) bersama elektrolit jenis cecair. Terdahulu, DSSC keadaan pepejal telah merekodkan kecekapan 15% pada tahun 2013 oleh saintis École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) menggunakan bahan pengangkut lohong, Spiro-OMeTAD dan perovskite sebagai bahan penuai cahaya di antara struktur TiO₂ (Burschka et al. 2013). Dalam kajian ini DSSC menggunakan elektrolit jenis cecair berasaskan pasangan redoks iodida-triiodida digunakan sebagai piawai kawalan – kecekapan penukaran kuasa sehingga 11.18% (Nazeeruddin et al. 2005).

Dapatan kumpulan penyelidikan di UKM ini juga turut melaporkan kesan kepekatan garam NaI ke atas sifat elektrokimia, morfologi, kimia dan kehabluran MG49-NaI menggunakan pelbagai instrumen termasuklah spektroskopi impedan elektrokimia (EIS), mikroskop imbasan elektron (SEM), spektrum inframerah transformasi Fourier (FTIR) dan pembelauan sinar-X (XRD). Hasil kajian menunjukkan nilai kekonduksian ion tertinggi pada suhu bilik bagi membran elektrolit polimer MG49-NaI pada penambahan 30 % bt. garam NaI adalah 8.86 × 10^-5 S cm^-1. Manakala, analisis kronoamperometri memberikan nilai nombor pengangkutan ion (t_ion) sebanyak 92% membuktikan elektrolit polimer MG49-NaI adalah pengkonduksi jenis ion. Seterusnya, analisis inframerah membuktikan interaksi kimia wujud di antara atom oksigen pada kumpulan berfungsi eter (C–O–C) dan karbonil (C=O) dengan ion natrium. Sifat kehabluran MG49-NaI elektrolit polimer didapati berkurang dengan peningkatan kepekatan garam. Morfologi keratan rentas membran berliang mikro dan homogen di dapati membantu kepada peningkatan kecekapan penukar tenaga. Keputusan kajian ini menyediakan alternatif elektrolit separa pepejal yang lebih ekonomik kerana penggunaan getah terubah suai yang lebih murah dan mudah disediakan berbanding membrane berasaskan bahan petrokimia yang rumit untuk disintesis dan mengandungi pengisi tak organik serta penggunaan cecair ionik yang mahal.

Sumber :

S. Mamat, M. Faizzi, M.S. Su’ait, N.A. Ludin, K. Sopian, N.A. Dzulkurnain, A. Ahmad, L.K. Shyuan, L. Tiankhoon, D.
Brandell. 2018. Kajian Elektrolit Polimer Berasaskan Getah Asli Terubahsuai Dalam DSSC. Sains Malaysiana. 47
(11), 2667-2676. http://dx.doi.org/10.17576/jsm-2018-4711-09

Senarai Rujukan :

Bella, F. 2015. Polymer electrolytes and perovskites: Lights and shadows in photovoltaic devices. Electrochima Acta 175: 151–161.

Burschka, J., Pellet, N., Moon, S.J., Humphry-Baker, R., Gao, P., Nazeeruddin, M.K., Grätzel, M. 2013. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature 499(7458): 316–319.

Green, M.A. 2001. Third generation photovoltaics: Ultra-high conversion efficiency at low cost. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 9(2): 123–135.

Green, M.A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E.D., Levi, D.H., Ho-Baillie, A.W.Y. 2017. Solar cell efficiency tables (Version 45). Progress in photovoltaics: research and applications 25(4): 333-334.

Kakiage, K., Aoyama, Y., Yano, T., Oya, K., Fujisawa, J.I., Hanaya, M. 2015. Highly-efficient DSSCs with collaborative sensitization by silyl-anchor and carboxy-anchor dyes. Chemical Communication 51(88): 15894–15897. 

Mamat, S., Faizzi, M., Su’ait, M.S., Ludin, N.A., Sopian, K., Dzulkurnain, N.A., Ahmad, A., Loh, K.S., Khoon, L.T. & Brandell, D., 2018. Kajian Elektrolit Polimer berasaskan Getah Asli Terubah Suai (MG49) dalam Sel Suria Terpeka Pewarna. Sains Malaysiana, 47(11): 2667-2676. 

Mathew, S., Yella, A., Gao, P., Humphry-Baker, R., Curchod, B.F., Ashari-Astani, N., Tavernelli, I., Rothlisberger, U., Nazeeruddin, M.K., Grätzel, M., 2014. Dye-sensitized solar cells with 13% efficiency achieved through the molecular engineering of porphyrin sensitizers. Nature Chemistry 6: 242–247.

Nazeeruddin, M.K., Angelis, F.D., Fantacci, S., Selloni, A., Viscardi, G., Liska, P., Ito, S., Takeru, B., Grätzel, M. 2005. Combined experimental and DFT-TDDFT computational study of photoelectrochemical cell ruthenium sensitizers. Journal of the American Chemical Society 127(48): 16835-16847.

O’regan, B, Grätzel, M. 1991. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature  353(6346): 737

Su’ait, M.S., Rahman, M.Y.A., Ahmad, A. 2015. Review on polymer electrolyte in dye-sensitized solar cells (DSSCs). Solar Energy 115: 452-470

Kredit Foto :
sainsmalaysiana
shutterstock