ditulis oleh Aisyah, S.Si., M.Si.

Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), atau sel surya tersensitasi zat warna, merupakan sebuah inovasi revolusioner dalam kimia material dan energi terbarukan. Teknologi ini tidak hanya berbeda secara mendasar dari sel surya silikon konvensional, tetapi juga menawarkan potensi luar biasa dari molekul zat warna. Strukturnya secara efisien menyerap cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Bayangkan, cahaya yang selama ini kita nikmati sebagai warna kini dapat diubah menjadi sumber energi yang berkelanjutan. Ini adalah sebuah konsep yang memadukan keindahan estetika dengan keunggulan ilmiah dalam satu sistem yang harmonis. Dengan DSSC, kita tidak hanya melangkah menuju masa depan yang lebih hijau, tetapi juga merangkul inovasi yang mengubah cara kita memandang energi.

Gagasan tentang DSSC yang diperkenalkan oleh Michael Grätzel dan Brian O’Regan pada tahun 1991 telah membuka jalan bagi era baru dalam teknologi energi terbarukan . Prototipe mereka yang mencapai efisiensi sekitar tujuh persen merupakan pencapaian luar biasa pada masanya, menandai terobosan signifikan dalam teknologi berbasis bahan organic (Maulana et al., 2021). Sejak saat itu, DSSC telah menjadi pusat perhatian riset global, berkat sifatnya yang tidak hanya ramah lingkungan tetapi juga ekonomis dan fleksibel (Grätzel, 2005). Namun, yang benar-benar menjadi inti dari kesuksesan DSSC adalah struktur kimia zat warna yang digunakan sebagai photosensitizer. Senzitizer inilah yang menjadi kunci dalam mengoptimalkan kinerja dan efisiensi teknologi ini. Dengan potensi yang begitu besar, DSSC tidak hanya menjanjikan masa depan yang lebih hijau tetapi juga lebih terjangkau dan adaptif terhadap berbagai kebutuhan energi.

Prinsip Kerja DSSC 

Bayangkan sebuah inovasi yang memanfaatkan prinsip fotosintesis untuk menciptakan energi bersih dan berkelanjutan. Inilah keajaiban yang ditawarkan oleh DSSC. Teknologi ini dengan cerdas menyerap sinar matahari melalui molekul zat warna yang terikat pada permukaan semikonduktor seperti titanium dioksida (TiO2) (Longo & De Paoli, 2003). Saat foton diserap, elektron dalam zat warna mengalami eksitasi dari tingkat energi HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) ke tingkat LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) (Venkatraman et al., 2018). Elektron yang tereksitasi ini kemudian melompat ke pita konduksi (conduction band) TiO? dan mengalir melalui rangkaian eksternal, menghasilkan arus listrik yang stabil. Setelah elektron dilepaskan, zat warna direduksi kembali oleh elektrolit redoks (biasanya pasangan I?/I??), memungkinkan sistem ini untuk beroperasi secara siklik tanpa henti (Sharma et al., 2018). Dengan mengadopsi prinsip dasar alam, DSSC menawarkan solusi  yang dapat memenuhi kebutuhan energi masa depan kita dengan cara yang berkelanjutan dan efisien.

Keberhasilan mekanisme ini sangat bergantung pada dua hal utama, yaitu kemampuan zat warna untuk menyerap cahaya dengan baik dan kecocokan energi orbitalnya dengan TiO2 (Bachtiar et al., 2019) dan elektrolit (Yang et al., 2022). Dalam sistem ini desain struktur kimia merupakan elemen penting. Dengan merancang struktur kimia yang tepat, semua komponen dapat bekerja bersama secara efektif untuk meningkatkan kinerja sistem (Bialas et al., 2021).

Dari Kompleks Logam Menuju Molekul Organik

Pada awal pengembangannya, zat warna berbasis logam transisi, terutama kompleks ruthenium (Ru) lebih banyak digunakan. Zat warna N3 dan N719 dengan pusat logam Ru(II) dan ligan bipyridyl serta gugus karboksilat yang dapat menempel kuat pada permukaan TiO?, telah menunjukkan performa yang menakjubkan (Bandara et al., 2016; Hardani et al., 2025). Zat warna ini tidak hanya mampu menyerap cahaya dalam spektrum yang luas, tetapi juga menawarkan stabilitas luar biasa dan efisiensi lebih dari sepuluh persen. Namun, kita tidak bisa mengabaikan kenyataan bahwa ruthenium adalah logam langka, mahal, dan tidak ramah lingkungan (Jamalullail et al., 2017). Oleh karena itu, sangat penting untuk beralih ke alternatif yang lebih berkelanjutan dan ramah lingkungan. Pilihan ini bukan hanya bijaksana, tetapi juga merupakan priotitas untuk memastikan keberlanjutan dan kelestarian lingkungan.

Dengan demikian, mengarahkan penelitian pada pewarna organik adalah langkah strategis yang sangat tepat. Molekul organik memberikan fleksibilitas luar biasa, memungkinkan penyesuaian struktur melalui sintesis kimia untuk mengoptimalkan spektrum serapan, tingkat energi orbital, dan interaksi permukaan dengan TiO2 (Machin, 2021). Keunggulan ini menjadikan bahan organik sebagai pilihan yang lebih hemat biaya dan ramah lingkungan (Bose & Genwa, 2016). Dengan memanfaatkan zat warna organik, kita tidak hanya memacu inovasi teknologi, tetapi juga menegaskan komitmen kuat terhadap keberlanjutan dan efisiensi ekonomi. 

Arsitektur D–?–A

Zat warna organik yang digunakan dalam DSSC merupakan inovasi hebat hasil pengembangan teknologi pewarnaan. Pewarna ini dirancang dengan struktur Donor–?–Akseptor (D–?–A) yang sangat efisien (Haid et al., 2012). Struktur ini meniru sistem molekuler yang mengarahkan aliran elektron dengan sangat baik. Donor adalah sumber elektron yang kuat, ? adalah penghubung atau linker dan akseptor menerima elektron dan mengikat ke permukaan TiO?. Bagian donor (D) biasanya terdiri dari kelompok aromatik kaya elektron, seperti trifenilamin (TPA) (Xu et al., 2012), quinolin (Chen et al., 2007) atau fenotiazin (Arunkumar et al., 2018), yang melepaskan elektron saat terkena cahaya. Elektron kemudian bergerak melalui ?-linker, seperti tiofen, benzene, atau furan, yang membantu delokalisasi elektron dan memperluas penyerapan cahaya ke panjang gelombang lebih besar. Akhirnya, bagian akseptor (A), seperti asam sianoakrilat atau rodanin-3-asam asetat, menarik elektron dan mengikat molekul pewarna ke TiO2 melalui ikatan ester atau asam karboksilat (Wan et al., 2017; Zhang et al., 2019). Dengan desain ini, pewarna organik meningkatkan efisiensi DSSC dan mendukung inovasi energi terbarukan yang lebih baik.

Dalam struktur D–?–A, elektron bergerak dari donor ke akseptor melalui sistem ? saat molekul tereksitasi. Sistem ?-konjugasi ini secara efisien mempercepat perpindahan muatan yang merupakan parameter penting dalam desain molekul canggih. Panjang dan jenis sistem ?-konjugasi menentukan spektrum serapan. Sistem yang lebih panjang mengurangi band gap dan menggeser warna serapan ke merah. Ini bukan hanya teori, tapi ini adalah peluang untuk memanfaatkan sifat optik dalam teknologi canggih.

Untuk mendapatkan pewarna organik yang dapat menghasilkan efisiensi listrik yang tinggi, tingkat energi orbital dari struktur D-?-A perlu dianalisis dari sudut pandang kuantum, Hubungan antara struktur molekul dan kinerja fotovoltaik dapat dijelaskan dengan konsep HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dan LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Donor, dengan banyak elektron, menentukan posisi energi HOMO sementara akseptor, yang bersifat elektronegatif, menurunkan tingkat energi LUMO. Komposisi keduanya menciptakan gradien muatan yang penting untuk memfasilitasi transfer muatan saat molekul menyerap cahaya.

Ketika struktur diperluas melalui sistem ?-konjugasi, celah energi antara tingkat energi HOMO dan LUMO (HOMO–LUMO gap) mengecil, menyebabkan pergeseran serapan ke arah panjang gelombang lebih besar (geseran merah). Fenomena ini penting karena memungkinkan dye menangkap foton energi rendah yang jumlahnya lebih melimpah dalam spektrum matahari (Li et al., 2015). Secara praktis, LUMO dye harus berada sedikit di atas pita konduksi (CB) TiO? agar elektron tereksitasi dapat diinjeksi secara spontan. Di sisi lain HOMO harus lebih rendah daripada potensial redoks elektrolit, sehingga regenerasi dye berlangsung efisien (Wills et al., 2013). Keseimbangan energi inilah yang menjadi inti desain molekul. Bila LUMO terlalu tinggi injeksi elektron terhambat sementara bila HOMO terlalu rendah regenerasi melambat dan rekombinasi meningkat.

Pemahaman mekanistik ini kini sangat dibantu oleh perhitungan Density Functional Theory (DFT) dan metode time-dependent DFT (TD-DFT), yang memungkinkan peneliti memprediksi spektrum serapan, distribusi muatan, dan profil orbital dari sebuah dye bahkan sebelum disintesis (Almogati et al., 2017). Dengan cara ini, desain molekuler dalam DSSC telah beralih dari pendekatan trial-and-error menuju strategi rasional berbasis kuantum. Karena itu, setiap variasi kecil pada donor, ?-linker, atau akseptor kini dievaluasi tidak hanya berdasarkan struktur dan sifat kimia klasiknya, tetapi juga pada potensi modifikasi tersebut menggeser HOMO, menurunkan LUMO, dan menstabilkan keadaan tereksitasi (excited state) yang diperlukan untuk transfer elektron yang cepat (Wykes et al., 2016).

Kerangka ini adalah dasar yang kuat untuk inovasi dalam kimia organik yang lebih maju. Tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi DSSC. Dengan memahami bagaimana struktur mempengaruhi energi, peneliti dapat memperpanjang rantai ?, memperkuat sifat donor atau akseptor, menambahkan gugus sterik, atau mengatur ulang pola konjugasi untuk mencapai keseimbangan energi yang optimal. Pendekatan ini membuka jalan dan mendorong pengembangan strategi molekuler seperti modifikasi ?-linker, rekayasa donor baru, desain akseptor ganda, hingga co-sensitization.

Salah satu strategi molekuler utama adalah memodifikasi ?-linker untuk memperluas spektrum penyerapan cahaya. Dengan menambahkan unit seperti tiofene, benzotiadiazol, atau pirol, penyerapan cahaya dapat ditingkatkan berkat sistem konjugasi elektron yang lebih luas. Penggantian satu cincin tiofen dengan benzotiadiazol dapat memperluas penyerapan hingga 650 nm dan meningkatkan efisiensi konversi daya lebih dari sepuluh persen (Wang et al., 2021). Ini adalah terobosan yang memperkuat potensi DSSC dan membuka jalan bagi inovasi energi terbarukan yang lebih efisien dan berkelanjutan.

Perubahan pada bagian donor juga sangat penting dalam pengembangan material. Trifenilamine adalah donor yang populer karena mudah dimodifikasi dengan menambahkan gugus metoksi atau rantai alkil panjang. Modifikasi ini meningkatkan kelarutan dan mencegah penggumpalan molekul di permukaan TiO2, membuatnya sangat efisien. Alternatif lain seperti karbazol dan fenotiazin memiliki struktur aromatik kaku yang memberikan kestabilan oksidatif tinggi. Keberhasilan pendekatan ini terlihat pada pewarna D35, yang berbasis trifenlamin-tiofen-asam sianoakrilat, yang dapat mencapai efisiensi lebih tinggi dari pewarna lainnya (Pazoki et al., 2014). Ini menunjukkan bahwa modifikasi donor dapat menghasilkan solusi yang lebih efisien dan ramah lingkungan.

Pengembangan pada bagian akseptor juga terus dilakukan. Akseptor seperti rodanin , indandioe (Kushwaha & Srivastava, 2024), benzotiadiazol dan asam sinoakrilat (Revoju et al., 2018), memainkan peran penting dalam memperkuat interaksi dengan TiO2 dan memperluas spektrum penyerapan cahaya. Inovasi yang menggabungkan dua akseptor dalam struktur D–A–?–A telah terbukti meningkatkan efisiensi transfer elektron secara signifikan (S. Li et al., 2020). Selain itu, penambahan rantai samping berupa alkil panjang tidak hanya meningkatkan kelarutan, tetapi juga secara efektif mencegah agregasi antar molekul, yang dapat mengurangi kinerja (Hara et al., 2009). Molekul dengan rantai samping besar ini tersebar merata di permukaan TiO2, menciptakan lapisan monomerik yang stabil dan efisien. Selain itu, strategi ko-sensitisasi, yang menggabungkan dua zat warna dengan spektrum penyerapan berbeda, menawarkan solusi inovatif untuk memaksimalkan pemanfaatan cahaya. Kombinasi dye porfirin dan dye D–?–A organik, misalnya, telah mencapai efisiensi hingga dua belas persen dengan menyerap hampir seluruh spektrum cahaya tampak (Süerkan et al., 2025). Ini adalah terobosan yang tidak hanya menjanjikan, tetapi juga mengubah cara kita memanfaatkan energi cahaya secara lebih efektif.

Menutup bagian pertama dari tulisan berseri ini, kita harus memahami bahwa kemajuan DSSC sangat bergantung pada kemampuan kita untuk merancang struktur kimia zat warna. Pendekatan arsitektur D–?–A dan berbagai strategi modifikasinya adalah elemen penting yang tidak boleh diabaikan. Setiap perubahan kecil pada donor, rantai ?-konjugasi, atau akseptor dapat menggeser posisi energi, mengubah spektrum serapan, dan meningkatkan efisiensi injeksi elektron pada TiO?. Inilah keunggulan kimia organik modern di mana kemampuan merancang molekul dengan presisi tinggi, menjadikan dye lebih dari sekadar pewarna, tetapi juga sebagai komponen fotovoltaik yang dirancang khusus untuk meningkatkan efisiensi konversi listrik. Pada bagian berikutnya, kita akan membahas perkembangan dye canggih seperti porfirin dan ftalosianin, yang terinspirasi dari pigmen alami, dinamika HOMO–LUMO, serta tantangan stabilitas dan arah masa depan DSSC. Dengan demikian, bagian kedua akan memperkaya pemahaman kita tentang bagaimana warna dapat menjadi sumber energi yang efektif dan berguna.

Daftar Pustaka

Almogati, R. N., Hilal, R., & Aziz, S. G. (2017). Effect of substitution on the optoelectronic properties of dyes for DSSC. A DFT approach. Journal of Theoretical and Computational Chemistry, 16(02), 1750018. https://doi.org/10.1142/s0219633617500183

Arunkumar, A., Shanavas, S., & Anbarasan, P. M. (2018). First-principles study of efficient phenothiazine-based D–?–A organic sensitizers with various spacers for DSSCs. Journal of Computational Electronics, 17(4), 1410–1420. https://doi.org/10.1007/s10825-018-1226-5

Arooj, Q., Wilson, G. J., & Wang, F. (2019). Methodologies in Spectral Tuning of DSSC Chromophores through Rational Design and Chemical-Structure Engineering. Materials, 12(24), 4024. https://doi.org/10.3390/ma12244024

Bachtiar, M. I., Hariyani, L. W., Nurosyid, F., & Agustina, M. N. P. (2019). Effect of dye variation on DSSC efficiency. Journal of Physics: Conference Series, 1153(1), 012097. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1153/1/012097

Bandara, T. M. W. J., Albinsson, I., Rupasinghe, E. J., Furlani, M., Chandrasena, P. H. N. J., Mellander, B. E., Ratnasekera, J. L., Dissanayake, M. A. K. L., & Fernando, H. D. N. S. (2016). N719 and N3 dyes for quasi-solid state dye sensitized solar cells - A comparative study using polyacrylonitrile and CsI based electrolytes. Ceylon Journal of Science, 45(2), 61. https://doi.org/10.4038/cjs.v45i2.7389

Bialas, D., Kirchner, E., Würthner, F., & Röhr, M. I. S. (2021). Perspectives in Dye Chemistry: A Rational Approach toward Functional Materials by Understanding the Aggregate State. Journal of the American Chemical Society, 143(12), 4500–4518. https://doi.org/10.1021/jacs.0c13245

Binyamin, H., Senderowitz, H. (2022). Photovoltaphores: pharmacophore models for identifying metal-free dyes for dye-sensitized solar cells. npj Comput Mater 8, 142 https://doi.org/10.1038/s41524-022-00823-6

Bose, S., & Genwa, K. (2016). New Metal Free Organic Dyes Based DSSC with Graphite-PSS: PEDOT Counter Electrode. International Research Journal of Pure and Applied Chemistry, 11(3), 1–10. https://doi.org/10.9734/irjpac/2016/24519

Chen, R., Tian, H., Yang, X., Wang, X., Hagfeldt, A., & Sun, L. (2007). Effect of Tetrahydroquinoline Dyes Structure on the Performance of Organic Dye-Sensitized Solar Cells. Chemistry of Materials, 19(16), 4007–4015. https://doi.org/10.1021/cm070617g

Grätzel, M. (2005). Solar Energy Conversion by Dye-Sensitized Photovoltaic Cells. Inorganic Chemistry, 44(20), 6841–6851. https://doi.org/10.1021/ic0508371

Haid, S., Mishra, A., Teuscher, J., Zakeeruddin, S. M., Wielopolski, M., Bäuerle, P., Marszalek, M., Grätzel, M., Humphry?Baker, R., & Moser, J. (2012). Significant Improvement of Dye?Sensitized Solar Cell Performance by Small Structural Modification in ??Conjugated Donor–Acceptor Dyes. Advanced Functional Materials, 22(6), 1291–1302. https://doi.org/10.1002/adfm.201102519

Hara, K., Wang, Z.-S., Koumura, N., Furube, A., & Cui, Y. (2009). Long-term stability of organic–dye-sensitized solar cells based on an alkyl-functionalized carbazole dye. Energy & Environmental Science, 2(10), 1109. https://doi.org/10.1039/b907486d

Hardani, H., Soonmin, H., Fudholi, A., Hidayatulloh, A., Syahidi, K., Sulistiyana, S., Angraini, L. M., & Zaidah, A. (2025). Optimizing Solar Power: The Impact of N719 Dye Concentration on DSSC Efficiency with TiO2 Nanoparticles. Journal of Multidisciplinary Applied Natural Science, 5(1), 254–266. https://doi.org/10.47352/jmans.2774-3047.245

Jamalullail, N., Mohamad, I. S., Baharum, N. A., Mahmed, N., & Norizan, M. N. (2017). Short review: Natural pigments photosensitizer for dye-sensitized solar cell (DSSC). 344–349. https://doi.org/10.1109/scored.2017.8305367

Kushwaha, P. K., & Srivastava, S. K. (2024). Tuning optoelectronic properties of indandione-based D-A materials by malononitrile group acceptors: A DFT and TD-DFT approach. Journal of Molecular Modeling, 30(10). https://doi.org/10.1007/s00894-024-06159-w

Li, M., Wei, Z., Pan, D., Diao, L., Li, Z., Lu, W., Wu, Q., Kou, L., & Zhang, Q. (2015). Theoretical Study of WS-9-Based Organic Sensitizers for Unusual Vis/NIR Absorption and Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells. The Journal of Physical Chemistry C, 119(18), 9782–9790. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b03667

Li, S., Zhu, H., Zhan, L., Chen, H., Shi, M., Li, C., Jin, Y., Zhou, G., Lau, T., Lu, X., Qin, R., & Zhang, F. (2020). Asymmetric Electron Acceptors for High-Efficiency and Low-Energy-Loss Organic Photovoltaics. Advanced Materials, 32(24), 2001160. https://doi.org/10.1002/adma.202001160

Longo, C., & De Paoli, M.-A. (2003). Dye-sensitized solar cells: a successful combination of materials. Journal of the Brazilian Chemical Society, 14(6). https://doi.org/10.1590/s0103-50532003000600005

Machin, D. D. (2021). The synthesis of novel BODIPY compounds for DSSC applications. https://doi.org/10.32920/ryerson.14656569

Maulana, M. F., Saptari, S. A., Yuniarti, E., & Nurlaela, A. (2021). Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Efficiency Derived from Natural Source. Jurnal Fisika Dan Aplikasinya, 17(3), 68. https://doi.org/10.12962/j24604682.v17i3.9616

Pazoki, M., Boschloo, G., Hagfeldt, A., Taghavinia, N., & Lohse, P. W. (2014). The effect of dye coverage on the performance of dye-sensitized solar cells with a cobalt-based electrolyte. Physical Chemistry Chemical Physics, 16(18), 8503. https://doi.org/10.1039/c4cp00335g

Revoju, S., Biswas, S., Eliasson, B., & Sharma, G. D. (2018). Asymmetric triphenylamine-phenothiazine based small molecules with varying terminal acceptors for solution processed bulk-heterojunction organic solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(9), 6390–6400. https://doi.org/10.1039/c7cp08653a

Sharma, K., Sharma, V., & Sharma, S. S. (2018). Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status. Nanoscale Research Letters, 13(1). https://doi.org/10.1186/s11671-018-2760-6

Süerkan, ?. N., Arslan, N., Gökçeören, A. T., Çakar, S., Sevim, A. M., Gül, A., & Özacar, M. (2025). A3B type Zn(II) phthalocyanines and porphyrin cocktail dye sensitizers for highly efficient DSSCs. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 464, 116333. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2025.116333

Venkatraman, V., Raju, R., Oikonomopoulos, S. P., & Alsberg, B. K. (2018). The dye-sensitized solar cell database. Journal of Cheminformatics, 10(1). https://doi.org/10.1186/s13321-018-0272-0

Wan, Z., Jia, C., Wang, Y., & Yao, X. (2017). A Strategy To Boost the Efficiency of Rhodanine Electron Acceptor for Organic Dye: From Nonconjugation to Conjugation. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(30), 25225–25231. https://doi.org/10.1021/acsami.7b04233

Wang, C., Chen, Q.-M., Wu, Y.-G., Li, W.-W., Xiao, C.-Y., & Liu, F. (2021). Benzothiadiazole-based Conjugated Polymers for Organic Solar Cells. Chinese Journal of Polymer Science, 39(5), 525–536. https://doi.org/10.1007/s10118-021-2537-8

Wills, K. A., Cameron, P. J., Hewat, T., Jones, M. D., Merino, G., Mattia, D., Lewis, S. E., Mandujano-Ramírez, H. J., Robertson, N., & Oskam, G. (2013). Investigation of a copper(i) biquinoline complex for application in dye-sensitized solar cells. RSC Advances, 3(45), 23361. https://doi.org/10.1039/c3ra44936j

Wykes, M., Adamo, C., Labat, F., Ciofini, I., & Odobel, F. (2016). Anchoring groups for dyes in p-DSSC application: insights from DFT. Journal of Molecular Modeling, 22(12). https://doi.org/10.1007/s00894-016-3155-1

Xu, J., Wang, L., Xu, W., Zhu, L., Liu, L., Fang, D., & Chen, B. (2012). Substituent Effect on the ? Linkers in Triphenylamine Dyes for Sensitized Solar Cells: A DFT/TDDFT Study. ChemPhysChem, 13(14), 3320–3329. https://doi.org/10.1002/cphc.201200273

Yang, J., Liu, J., Li, Y., Yu, X., Yi, Z., Zhang, Z., Chi, F., & Liu, L. (2022). A DSSC Electrolyte Preparation Method Considering Light Path and Light Absorption. Micromachines, 13(11), 1930. https://doi.org/10.3390/mi13111930

Zhang, L., Hagfeldt, A., Yang, X., Yu, Z., Sun, L., & Li, S. (2019). Electron?Withdrawing Anchor Group of Sensitizer for Dye?Sensitized Solar Cells, Cyanoacrylic Acid, or Benzoic Acid? Solar RRL, 4(3), 1900436. https://doi.org/10.1002/solr.201900436