APLIKASI SENYAWA KOMPLEKS SIKLOMETAL IRIDIUM DALAM OLED’s DAN DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) Aditya Cahya Nugraha Juru san K imia FMIPA FMIPA Universitas Negeri Semarang Semarang
Abstrak
Energi merupakan salah satu masalah utama yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia. Ketergantungan terhadap energi fosil menyebabkan beberapa ancaman serius antara lain menipisnya cadangan energi serta ketidakstabilan harga akibat laju permintaan yang semakin besar. Solar cell adalah salah satu sumber energi yang memanfaatkan cahaya matahari. Semikonduktor yang dipakai untuk solar cell ternyata ternyata dapat diikatkan dengan suatu senyawa kompleks organologam organologam seperti Siklometal Iridium
sehingga proses
penyerapan cahaya matahari lebih optimal atau DSSC . Senyawa Siklometal Iridium juga merupakan salah satu komponen penting dalam pembentukan pembentuk an energi listrik pada sel fotovoltaik dan perubahan listrik menjadi cahaya atau pembentukan cahaya didalam diode
emisi
cahaya
(Organic ( Organic light-emitting light-emitting
diodes/ diodes/ OLEDs) diketahui dapat
dimanfaatkan dalam OLEDs yaitu piranti penting dalam teknologi elektroluminensi. elektroluminensi. Pemilihan
logam
iridium
didasarkan
karena
logam
ini
memiliki
geometri oktahedral, photophysical dan sifat elektrokimia dari kompleks iridium yang dapat diatur dengan cara yang dapat diprediksi. Selain Selain itu juga, logam iridium diketahui memiliki oksidasi stabil dan pada kompleksnya memiliki triplet tertinggi hasil kuantum
Kata kunci : Energi, solar cell, senyawa kompleks organologam. organologam.
BAB 1 PENDAHULUAN
Latar Belakang Energi merupakan salah satu masalah utama yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia. Hal ini mengingat bahwa energi merupakan faktor utama bagi pertumbuhan ekonomi suatu negara. Permasalahan energi menjadi semakin kompleks ketika kebutuhan akan energi semakin meningkat yang justru akan membuat persediaan cadangan energi konvensional seperti energi fosil semakin sedikit jumlahnya. Ketergantungan terhadap energi fosil menyebabkan beberapa ancaman serius antara lain menipisnya cadangan energi serta ketidakstabilan harga akibat laju permintaan yang semakin besar. Energi fosil terdiri atas minyak bumi, gas alam, dan batubara. Dimana sifat dari energi fosil yang tidak ramah lingkungan ini memberikan sumbangan yang besar terhadap terjadinya pemanasan global akibat emisi gas CO2 yang dihasilkan. Pemanfaatan energi terbarukan seperti air, panas bumi, energi angin dan energi surya (matahari) saat ini sudah mulai dilirik, namun baru energi air dan panas bumi yang sedang dikembangkan secara komersial. Penggunaan sumber energi terbarukan merupakan salah satu alternatif yang dapat digunakan untuk mewujudkan program sustainability lingkungan. Energi terbarukan seperti matahari merupakan sumber energi utama yang memancarkan energi yang luar biasa besarnya ke permukaan bumi. Solar cell adalah salah satu sumber energi yang memanfaatkan cahaya matahari. Solar cell merupakan pembangkit listrik yang mampu mengkonversi sinar matahari menjadi arus listrik. Energi matahari sesungguhnya merupakan sumber energi yang paling menjanjikan, mengingat sifatnya yang berkelanjutan ( sustainable) serta jumlahnya yang sangat besar. Matahari merupakan sumber energi yang diharapkan dapat mengatasi permasalahan kebutuhan akan energi masa depan setelah berbagai sumber energi konvensional mengalami perkurangan jumlah dan sifatnya yang tidak ramah terhadap lingkungan. Total kebutuhan energi yang berjumlah 10 TW tersebut setara dengan 3 x 10 20 J setiap tahunnya. Sementara total energi matahari yang sampai di permukaan bumi adalah 2,6 x 10 24 Joule/tahun. Sebagai perbandingan, energi yang dapat dikonversi melalui proses fotosintesis di seluruh
permukaan bumi mencapai 2,8 x 10 21 J setiap tahunnya. Jika dilihat dari jumlah energi yang dibutuhkan dan dibandingkan dengan energi matahari yang tiba di permukaan bumi, maka sebenarnya dengan menutup 0,05% luas permukaan bumi dengan solar cell yang memiliki efisiensi 20%, seluruh kebutuhan akan energi yang ada di bumi sudah dapat terpenuhi (Yuliarto, 2011). Silikon (Si) adalah semikonduktor yang biasa digunakan pada solar cell . Namun karena harganya yang mahal, sehingga solar cell ini tidak menjadi alternatif sebagai pengahasil energi yang murah. Senyawa kompleks memiliki keunikan yaitu dapat menghasilkan warna sesuai dengan panjang gelombang yang diserapnya dan warna yang sampai ke penglihatan kita merupakan warna komplemennya. Semikonduktor yang dipakai untuk solar cell ternyata dapat diikatkan dengan suatu senyawa kompleks sehingga proses penyerapan cahaya matahari lebih optimal. Proses ini dinamakan dengan sel surya yang tersinsitasi zat pewarna (DSSC). Dalam
pengembangannya,
DSSC
memanfaatkan
senyawa
kompleks
organologam sebagai Adsorbed photosensitizer dye. Senyawa kompleks jenis ini memiliki keunikan diantaranya dapat menghasilkan warna sesuai dengan panjang gelombang yang diserap dan warna yang sampai ke penglihatan merupakan warna komplemennya. Semikonduktor yang dipakai untuk solar cell ternyata dapat diikatkan dengan suatu senyawa kompleks sehingga proses penyerapan cahaya matahari menjadi lebih optimal. Selain itu juga, senyawa kompleks organologam diketahui dapat dimanfaatkan dalam OLEDs yaitu piranti penting dalam teknologi elektroluminensi. Teknologi tersebut memiliki dasar konsep pancaran cahaya yang dihasilkan oleh piranti akibat adanya medan listrik yang diberikan. Senyawa kompleks organologam seperti Siklometal Iridium diketahui merupakan salah satu komponen penting dalam pembentukan energi listrik pada sel fotovoltaik dan perubahan listrik menjadi cahaya atau pembentukan cahaya didalam diode emisi cahaya (Organic light-emitting diodes/ OLEDs). Senyawa kompleks ini diperlukan dalam transformasi, menyimpan dan menjaga efisiensi produksi energi. Sifat
fisika
dan kimia yang dimiliki senyawa kompleks
organologam ini diketahui mudah sekali diatur (fined-Solar Cell OLEDs tuned ), sehingga dengan
melakukan
variasi
struktur
kimianya maka dapat
menghasilkan material terbaik yang dapat digunakan untuk mengkonversi energi.
Tujuan 1. Mengetahui manfaat senyawa kompleks Siklometal Ir (III) dalam kehidupan sehari-hari. 2. Mengetahui prinsip kerja OLEDs dan DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) dengan senyawa kompleks Siklometal Ir(III) .
Manfaat 1. Dapat memanfaatkan senyawa kompleks Siklometal Ir (III) dalam kehidupan sehari-hari. 2. Dapat mengembangkan senyawa kompleks Siklometal Ir (III) sebagai OLEDs dan DSSC (Dye Sensitized Solar Cell)
BAB II ISI
Kompleks siklometal iridium adalah salah satu contoh senyawa organologam yang dipelajari dan digunakan pada solar cell dan OLEDs. Kompleks siklometal iridium (III) ini sendiri merupakan dopan yang sangat efisien untuk diaplikasikan dalam OLEDs.
Pemilihan
logam
iridium
didasarkan
karena
logam
ini
memiliki
geometri oktahedral, photophysical dan sifat elektrokimia dari kompleks iridium yang dapat diatur dengan cara yang dapat diprediksi. Selain itu juga, logam iridium diketahui memiliki oksidasi stabil dan pada kompleksnya memiliki triplet tertinggi hasil kuantum (Baranoff et al., 2009). A. Kompleks Iridium untuk DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) Kompleks siklometal Iridium telah diteliti sebagai sensitizer dalam TiO 2-sel fotoelektrokimia. Prinsip kerja dari DSSC digambarkan pada gambar dibawah ini. Sebagai contoh semikonduktor yang digunakan adalah TiO 2. Adsorben sensitizer akan menyerap cahaya yang mengarahkan elektron dipita konduksi TiO 2.
Gambar 1 Prinsip kerja DSSC Sistem foto elektrokimia ini sendiri memiliki 5 komponen penting, yaitu : 1. Photoanode (glass + TCO) 2. Mesoporous electron semiconductor (e.g. TiO2) 3. Adsorbed photosensitizer dye (organometallic or organic dye) 4. Electrolyte / hole transporter 5. A counterelectrode (e.g., Pt) Dye mengalami oksidasi dan mendapatkan donasi elektron dari larutan elektrolit yang mengandung iodida/triiodida karena proses redoks. Elektron akan mengalir
melalui
semikonduktor
kemudian
mengalir
melalui
elektroda
counter. Proses reduksi pada elektroda counter dari triiodida akan kembali menjadi iodida (regenaratif). Energi yang stabil pada sistem konversi photovoltaic dan dibawah pencahayaan sehingga proses regeneratif dapat berlangsung. Untuk sensitizer dye sendiri dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu: pewarna organik dan pewarna anorganik. Diketahui bahwa pewarna anorganik telah memberikan hasil yang lebih baik jika dibandingkan dengan pewarna organik karena stabilitas terhadap fotodegradasi untuk pewarna organik rendah. Pewarna anorganik yang dimaksud adalah pewarna kompleks logam seperti kompleks Rutenium, Osmium, Iridium, dll. Dari perkembangan penelitian akan DSSC yang dibuat 20 tahun yang lalu, banyak penelitian telah dilakukan untuk menemukan kompleks logam transisi serta pewarna organik, tetapi tidak ada yang mampu melebihi kinerja kompleks rutenium berdasarkan hasil konversi dan stabilitas jangka panjang atau daya tahan pengggunaannya. Namun, baru-baru ini telah ditemukan sebuah jenis baru dari kompleks Iridium (III) dengan sensitizer ligan piridin karboksil, menghasilkan maksimum 66% IPCE dan konversi daya 2,16% efisiensi dalam simulasi 1.5 AM sinar matahari. Konversi efisiensi energi dapat ditingkatkan dengan fine tuning dari overlap spektral antara Ir (III) pewarna dan spectrum sinar matahari. Siklometal Ir (III) kompleks ternyata memiliki dua keuntungan. Pertama, stabilitas tinggi ditemukan dalam cincin khelat sistem siklometal Ir (III) kompleks dan kedua, karena lifetime eksitasi dari siklometal Ir (III) kompleks lebih lama daripada N3, yang higheroverall untuk konversi energi dapat diantisipasi. Berdasarkan bahan fluorescent yang hanya dapat menggunakan singlet exciton dan efisiensi internal yang terbatas sekitar 25%, bahan ini dapat memancarkan cahaya baik singlet maupun triplet excitons dan dengan potensi mencapai efisiensi internal 100% (Ayyan, 2011). Dibidang DSSC, kompleks iridium siklometal memang baru dikenal. Besarnya
spliting
d
orbital
menuju
pusat
logam
(MC)
menyatakan kemungkinan untuk membuat molekul lebih stabil dibandingkan dengan kompleks Rhutenium. Penemuan akan Rhutenium kompleks merupakan sebuah kompleks
tantangan iridium
yang yang
menarik
secara
untuk
signifikan
meningkatkan
meningkatkan
arus
dan menghasilkan konversi yang efisiensi dan daya guna yang besar.
koefisien pendek
B. Kompleks Netral Tris Siklometal Iridium sebagai OLEDs Mekanisme kerja dari OLEDs adalah ketika pada elektrode diberikan medan listrik, fungsi kerja dari elektrode negatif (katode) tersebut akan turun yang menjadikan elektron - elektron dari katode bergerak menuju pita konduksi di bahan organik. Keadaan ini mengakibatkan munculnya hole di pita valensi. Sementara itu elektrode bermuatan positif (anode) akan meng-injeksi hole untuk bergerak menuju pita valensi bahan organik. Dengan keadaan ini mengakibatkan terjadinya proses rekombinasi elektron dan hole di dalam bahan organik. Pada waktu proses rekombinasi terjadi, elektron akan turun dan bersatu dengan hole sambil memberikan kelebihan energi sebesar hn dalam bentuk foton cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Skema dari proses rekombinasi elektron-hole dapat digambarkan sebagaimana pada Gambar 2 Dari struktur piranti OLEDs yang sederhana seperti di atas akan diperoleh satu jenis pancaran cahaya dengan panjang gelombang tertentu tergantung jeniis bahan emitter yang dipergunakannya (Hariyadi, 2008).
Gambar 2 Proses rekombinasi elektron-hole yang menghasilkan pancaran cahaya sebagai konsep dasar dari OLEDs
Kompleks Iridium sebagai OLEDs memiliki keunggulan yaitu dapat menghasilkan kuantum triplet emisi yang besar. Senyawa kompleks trissiklometal iridium adalah kompleks netral dengan pola dasar Ir (C^N) 3. Salah satu contohnya adalah Ir(PPy) 3. Spektrum serapan dari Ir(PPy) 3 yang kuat adalah berasal dari ligan ke ligan (LC, p-p *) dan MLCT pada daerah UV dan daerah tampak. Transisi MLCT lebih rendah energinya dari pada transisi p-p LC*. Keadaan triplet tereksitasi menunjukkan perpendaran yang kuat pada wilayah warna hijau disekitar 515 nm. Analisis sifat spectra kompleks Ir (PPy)3 telah diketahui bahwa HOMO
dari
[Ir
(PPy)3]
pada
prinsipnya
terdiri
dari
p
orbital
dari
cincin fenil dan logam d-orbital. Pyridin adalah netral dan merupakan penyumbang utama
terhadap
LUMO
pada
[Ir
(PPy) 3].
Emisi
maksimum
kompleks
iridium luminescent ditentukan terutama oleh kesenjangan HOMO-LUMO. Sebuah strategi yang efektif untuk menyempurnakan warna emisi Ir (III) kompleks bergantung pada stabilisasi selektif atau destabilisasi dan HOMO/ LUMO atau kompleks. Cara yang dapat dilakukan adalah dengan menambahkan substituen penarik elektron atau donor elektron. Sifat dari senyawa kompleks tris-siklometal iridium dapat mengalami konfigurasi facial (fac) atau meridional (Mer). Isomer facial lebih stabil daripada meridional. Namun disisi lain kompleks Iridium dengan karben tidak dapat dicapai secara termal atau secara fotokima dan degradasi senyawa ini tidak dapat diamati. Menariknya sampel murni facial atau meridional dapat dijadikan untuk OLEDs. Kompleks fac- [Ir (pmb) 3] dengan ligan 1-phenyl-3-mathyl benzimidazole memiliki fotoluminesen yang kuantumnya lebih besar dibandingkan kompleks merIr (pmb)3 di dalam larutan. Persiapan OLEDs dengan mer-Ir(pmb) 3 memiliki efisiensi sekitar dua kali lebih tinggi dari pada f ac- Ir (pmb) 3. Penggunaan senyawa organologam yang digunakan sebagai OLEDs selain kelompok senyawa netral kompleks dengan logam Iridium yaitu senyawa anion bissiklo metal Iridium. Selain itu senyawa dengan atom logam Rhutenium juga telah dipelajari dapat digunakan sebagai OLEDs. Semikonduktor TiO 2 mesopori dengan fotosensitiser baru dari kompleks piridilazoresorinolkobal (II) telah digunakan sebagai sel fotovoltaik DSSC. Kompleks piridilazoresorinol memiliki absorptivitas molar tinggi (~ 10 4 L mol-1) dari transisi elektronik dan transisi MLCT (metal to ligand charge transfer ) di daerah ultra violet dan visibel. Aplikasi OLEDs telah banyak digunakan dimasyarakat luas salah satunya hingga saat ini teknologi OLEDs telah digunakan untuk display yang terbatas dalam beberapa produk komersial seperti mobile phone, MP3 players, digital cameras, dan sebagainya. Biasanya untuk resolusi display yang rendah semacam
ini
dikendalikan
oleh
teknologi
fitur
berbasis
passive
matrix
(PM). Penggunaan solar cell untuk melengkapi OLEDs dimaksudkan untuk mendaurulang energi foton yang terbuang dari OLEDs. Penggunaan solar cell dibawah OLEDs menunjukan bahwa keduanya dapat diregenari kembali. Energi foton yang terbuang dari OLEDs akan diserap oleh solar cell dan dirubah menjadi energi listrik.
Gambar 3 Senyawa kompleks Iridium
Senyawa
kompleks
Siklometal
Ir(III)
merupakan
senyawa
kompleks
organologam, karena senyawa ini terbentuk dari atom logam dan gugus organik dimana atom-atom karbon dari gugus organiknya terikat pada atom logam. Sifat senyawa organologam yang umum ialah atom karbon yang lebih elektronegatif daripada kebanyakan logamnya. Senyawa kompleks logam (biasanya logam-logam transisi) merupakan senyawa yang memiliki satu atau lebih ikatan logam-karbon. Senyawa ini terdiri dari atom pusat dan ligan (Blaser et al , 2000).
Gambar 3. Karakteristik dari Kompleks Organologam (Blaser et al , 2000) Atom pusat dari suatu senyawa kompleks yang digunakan antara lain dapat berupa logam-logam transisi seperti: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ir dan Zn (Hijazi et al , 2008). Ligan dari suatu senyawa komplek dapat mempengaruhi bentuk geometri dari senyawa organologam itu sendiri sehingga dapat dimanfaatkan dalam berbagai reaksi kimia. Tabel 1 menjelaskan tentang perbedaan jenis ligan yang terikat pada atom pusat, dimana memberikan bentuk geometri yang berbeda.
Metal oxidation state
Exampel
Geometry
Ni0
Ni(CO4)
Tetrahedral
Pd0
Pd(PR3)2
Linear
NiII Pd II
ArPd(PR3)2X
Square planar
RhI Ir
Rh(PR3)3X2
Square planar
Ru II
Ru(PR3)3X2
Trigonal pyramid l
Ru II Rh III
Rh(Pr3)3XH2
Octahedral
I
Ir III Tabel 1. Senyawa komplek organologam dengan perbedaan ligan dan geometri yang dihasilkan (Blaser et al , 2000). Dari Gambar 3 Senyawa kompleks Iridium dapat diketahui logam Ir berfungsi sebagai atom pusat, dan siklometal sebagai ligannya.
BAB III PENUTUP KESIMPULAN 1. Senyawa organologam seperti kompleks siklometal Iridium (III) dapat digunakan sebagai salah satu komponen dalam Solar cell dan OLEDs. 2. Penggunaan senyawa organologam sebagai solar cell dan OLEDs dikarenakan senyawa ini menghasilkan warna yang sesuai dengan panjang gelombang yang diserap
dan
warna
komplemennya.
yang
sampai
ke
penglihatan
merupakan
warna
DAFTAR PUSTAKA Ayyan, S. 2011. A Critical Review on Dye Sensitized Solar Cells. Institute Of Technology , Nirma University. Ahmedabad – 382 481, 08-10. Baranoff, Etienne., Jun-Ho Yum, Michael Graetzel, Md.K. Nazeeruddin., 2009. “Cyclometallated iridium complexes for conversion of light into electricity and electricity into light”. Journal of Organometallic Chemistry, Institute of Chemical Sciences and Engineering, School of Basic Sciences, Swiss Federal Institute of Technology, CH-1015 Lausanne, Switzerland. Blaser, Hans-Ulrich., A. Indolese., A. Schnyder. 2000. Applied Homogeneous Catalysis by Organometallic Complexes, Current Science, vol. 78, No. 11, pp. 1336-1344. Hariyadi. 2008. LED-Organik (OLED) Multi Warna. Diakses pada tanggal : 8 April 2015 http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek13.html
Hijazi, A. K., A. Al-Hmaideen., S. Syukri., N. Radharkrishnan., E. Herdtweck., B. Voit., F. E. Kühn., 2008. Transition-Metal
Synthesis and Characterization of Acetonitrile-Ligated Complexes
with
Tetrakis(pentafluorophenyl)borate
Counteranions, Eur. J. Inor. Chem, pp. 2892-2898.
Yuliarto, B. 2011. Solar Cell Sumber Energi Terbarukan . Diakses pada tanggal : 9 April 2015 http://esdm.go.id/berita/56-artikel/4034-solar-cell-sumber-energi-terbarukanmasa depan-.html
as
